KR102255584B1 - Semiconductor device and method for manufacturing semiconductor device - Google Patents
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Abstract
본 발명은, 미세한 구조인 경우에도 높은 전기 특성을 갖는 트랜지스터를 제공한다.
산화물 반도체층의 채널 길이 방향의 측면의 한쪽에 접하는 소스 전극층과, 다른 쪽에 접하는 드레인 전극층을 포함한 트랜지스터로 한다. 또한, 게이트 절연층을 개재하여 채널 형성 영역과 중첩되는 영역에 게이트 전극층을 갖고, 게이트 절연층을 개재하여 소스 전극층 또는 드레인 전극층과 중첩되는 영역에, 게이트 전극층의 측면과 접하도록, 게이트 전극층의 일부로서 기능하는 도전층을 갖는 구성으로 함으로써, 미세한 채널 길이를 유지하면서 Lov 영역을 형성한다. 게이트 전극층의 측면에 접하도록 형성된 도전층은, 게이트 전극층을 덮는 도전막 및 절연층을 형성한 후, 절연층을 가공하여 측벽 절연층으로 하고, 측벽 절연층을 마스크로 하여 도전막을 가공함으로써 형성된다. 따라서, 게이트 전극층의 측면에 접하도록 미세한 도전층을 자기정합적으로 형성할 수 있다.The present invention provides a transistor having high electrical characteristics even in the case of a fine structure.
A transistor comprising a source electrode layer in contact with one side of the oxide semiconductor layer in the channel length direction and a drain electrode layer in contact with the other. In addition, a gate electrode layer is provided in a region overlapping the channel formation region through the gate insulating layer, and a portion of the gate electrode layer is in contact with the side surface of the gate electrode layer in a region overlapping the source electrode layer or the drain electrode layer through the gate insulating layer. By setting it as the structure which has a conductive layer functioning as a Lov region, maintaining a fine channel length. The conductive layer formed to be in contact with the side surface of the gate electrode layer is formed by forming a conductive film and an insulating layer covering the gate electrode layer, then processing the insulating layer to form a sidewall insulating layer, and processing the conductive film using the sidewall insulating layer as a mask. . Accordingly, a fine conductive layer can be formed in a self-aligning manner so as to contact the side surface of the gate electrode layer.
Description
본 발명은, 반도체 장치 및 반도체 장치의 제작 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a semiconductor device and a method of manufacturing the semiconductor device.
또한, 본 명세서 등에서 반도체 장치란, 반도체 특성을 이용함으로써 기능할 수 있는 장치 전반을 가리키며, 전기 광학 장치, 발광 표시 장치, 반도체 회로, 및 전자 기기는 모두 반도체 장치이다.In addition, in this specification and the like, the term "semiconductor device" refers to all devices that can function by using semiconductor properties, and all of the electro-optical devices, light-emitting display devices, semiconductor circuits, and electronic devices are semiconductor devices.
절연 표면을 갖는 기판 위에 형성된 반도체 박막을 사용하여 트랜지스터를 구성하는 기술이 주목을 받고 있다. 상기 트랜지스터는 집적 회로(IC)나 화상 표시 장치(단순히 표시 장치라고도 표기함)와 같은 반도체 전자 디바이스에 널리 응용되고 있다. 트랜지스터에 적용할 수 있는 반도체 박막으로서 실리콘계 반도체 재료가 널리 알려져 있지만, 그 외의 재료로서 산화물 반도체가 주목을 받고 있다.The technology of constructing a transistor using a semiconductor thin film formed on a substrate having an insulating surface is attracting attention. Such transistors are widely applied to semiconductor electronic devices such as integrated circuits (ICs) and image display devices (referred to simply as display devices). Silicon-based semiconductor materials are widely known as semiconductor thin films applicable to transistors, but oxide semiconductors are attracting attention as other materials.
예를 들어, 산화물 반도체로서 산화 아연, In-Ga-Zn계 산화물을 사용하여 트랜지스터를 제작하고, 표시 장치의 화소의 스위칭 소자 등에 사용하는 기술이 특허 문헌 1 및 특허 문헌 2에 기재되어 있다.For example, a technique for fabricating a transistor using zinc oxide or an In-Ga-Zn-based oxide as an oxide semiconductor and using a switching element of a pixel of a display device and the like is described in
트랜지스터의 동작의 고속화, 트랜지스터의 저소비 전력화, 고집적화 등을 달성하기 위해서는 트랜지스터의 미세화가 필수적이다.In order to achieve high-speed transistor operation, low power consumption, and high integration, miniaturization of transistors is essential.
반도체 장치의 고속 응답, 고속 구동을 실현하기 위해서는, 미세화된 트랜지스터의 온 특성(예를 들어, 온 전류나 전계 효과 이동도)이 향상되는 것이 바람직하다. 트랜지스터의 온 전류의 저하를 억제하기 위해서는, 게이트 전극층이, 게이트 절연층을 개재(介在)하여 소스 전극층 또는 드레인 전극층과 중첩되는 영역(이하, 본 명세서에서 Lov 영역이라고도 표기함)을 제공하는 것이 유효하다.In order to realize a high-speed response and high-speed driving of a semiconductor device, it is desirable to improve the on-state characteristics (for example, on-state current and field effect mobility) of a microscopic transistor. In order to suppress the decrease in the on-state current of the transistor, it is effective to provide a region in which the gate electrode layer overlaps the source electrode layer or the drain electrode layer (hereinafter, also referred to as the Lov region) through the gate insulating layer. Do.
그런데, Lov 영역을 형성하기 위해서는, 선 폭이 가는 산화물 반도체층과 선 폭이 가는 게이트 전극층의 정밀한 얼라인먼트(alignment)가 요구되고, 트랜지스터가 미세화됨에 따라 그 요구 정밀도는 더 높아진다. 따라서, 트랜지스터가 미세화됨에 따라 제작 공정에 있어서 수율이 저하될 우려가 있다.However, in order to form the Lov region, precise alignment between an oxide semiconductor layer having a thin line width and a gate electrode layer having a thin line width is required, and as the transistor becomes finer, the required accuracy becomes higher. Therefore, there is a concern that the yield in the fabrication process may decrease as the transistor is miniaturized.
따라서, 본 발명의 일 형태는, 양호한 특성을 유지하면서 미세화를 달성한 반도체 장치를 제공하는 것을 목적 중 하나로 한다.Accordingly, an object of one embodiment of the present invention is to provide a semiconductor device that achieves miniaturization while maintaining good characteristics.
또한, 본 발명의 일 형태는, 미세한 구조에서도 높은 전기 특성을 갖는 트랜지스터를 수율 좋게 제공하는 것을 목적 중 하나로 한다.Another object of one embodiment of the present invention is to provide a transistor having high electrical characteristics even in a fine structure with high yield.
본 발명의 일 형태에서는, 채널 형성 영역과, 채널 형성 영역을 개재한 한 쌍의 불순물 영역을 포함한 산화물 반도체층을 갖는 트랜지스터에 있어서, 산화물 반도체층의 채널 길이 방향의 측면의 한쪽에 접하는 소스 전극층과, 다른 쪽에 접하는 드레인 전극층을 형성한다. 또한, 게이트 절연층을 개재하여 채널 형성 영역과 중첩되는 영역에 게이트 전극층을 갖고, 게이트 절연층을 개재하여 소스 전극층 또는 드레인 전극층과 중첩되는 영역에, 게이트 전극층의 채널 길이 방향의 측면에 접하도록 게이트 전극층의 일부로서 기능하는 도전층을 갖는 구성으로 함으로써, 미세한 채널 길이를 유지하면서 Lov 영역을 형성한다. 게이트 전극층의 채널 길이 방향의 측면에 접하여 형성된 도전층은 게이트 전극층을 덮는 도전막 및 절연층을 형성한 후, 절연층을 가공하여 측벽 절연층으로 하고, 측벽 절연층을 마스크로 하여 도전막을 가공함으로써 형성된다. 따라서, 게이트 전극층의 측면에 접하여 미세한 도전층을 자기정합적으로 형성할 수 있다. 보다 구체적으로는 예를 들어 이하의 구성으로 할 수 있다.In one embodiment of the present invention, in a transistor having an oxide semiconductor layer including a channel formation region and a pair of impurity regions through the channel formation region, a source electrode layer in contact with one side of a side surface of the oxide semiconductor layer in a channel length direction , To form a drain electrode layer in contact with the other side. In addition, the gate electrode layer has a gate electrode layer in a region overlapping the channel formation region through the gate insulating layer, and a gate electrode layer in a region overlapping the source electrode layer or the drain electrode layer through the gate insulating layer so as to contact the side surface of the gate electrode layer in the channel length direction. By having a configuration having a conductive layer that functions as a part of the electrode layer, a Lov region is formed while maintaining a fine channel length. The conductive layer formed in contact with the side surface of the gate electrode layer in the channel length direction is formed by forming a conductive film and an insulating layer covering the gate electrode layer, then processing the insulating layer to form a sidewall insulating layer, and processing the conductive film using the sidewall insulating layer as a mask. Is formed. Accordingly, a fine conductive layer can be formed in a self-aligning manner in contact with the side surface of the gate electrode layer. More specifically, it can be set as the following structure, for example.
본 발명의 일 형태는, 소스 전극층 및 드레인 전극층과 제 1 불순물 영역, 제 2 불순물 영역, 및 제 1 불순물 영역과 제 2 불순물 영역에 개재된 채널 형성 영역을 포함하고, 제 1 불순물 영역의 채널 길이 방향의 측면에서 소스 전극층과 접하며 제 2 불순물 영역의 채널 길이 방향의 측면에서 드레인 전극층과 접하는 산화물 반도체층과, 산화물 반도체층, 소스 전극층 및 드레인 전극층의 상면에 접하는 게이트 절연층과, 게이트 절연층을 개재하여 채널 형성 영역과 중첩되는 게이트 전극층과, 게이트 전극층의 측면에 접하며 채널 길이 방향에서 게이트 절연층을 개재하여 소스 전극층 및 드레인 전극층과 적어도 일부가 중첩되는 도전층과, 도전층의 게이트 전극층과 대향하는 측면에 형성된 측벽 절연층을 갖고, 도전층의 측단부는 측벽 절연층의 측단부와 일치하는 반도체 장치이다.One aspect of the present invention includes a source electrode layer and a drain electrode layer, a first impurity region, a second impurity region, and a channel formation region interposed between the first impurity region and the second impurity region, and the channel length of the first impurity region An oxide semiconductor layer in contact with the source electrode layer in the side of the direction and in contact with the drain electrode layer in the side of the channel length direction of the second impurity region, the gate insulating layer in contact with the upper surfaces of the oxide semiconductor layer, the source electrode layer, and the drain electrode layer, and a gate insulating layer. A gate electrode layer interposed therebetween, a gate electrode layer overlapping the channel formation region, a conductive layer in contact with the side surface of the gate electrode layer and at least partially overlapping the source electrode layer and the drain electrode layer through the gate insulating layer in the channel length direction, and the conductive layer facing the gate electrode layer A semiconductor device having a sidewall insulating layer formed on a side surface thereof, and the side end portion of the conductive layer coincides with the side end portion of the sidewall insulating layer.
상기 반도체 장치에서, 게이트 전극층과 중첩되는 영역의 게이트 절연층의 막 두께는 도전층과 중첩되는 영역의 게이트 절연층의 막 두께보다 두꺼운 경우가 있다.In the above semiconductor device, the thickness of the gate insulating layer in the region overlapping the gate electrode layer may be larger than the thickness of the gate insulating layer in the region overlapping the conductive layer.
또한, 상기 반도체 장치에서, 도전층과 중첩되는 영역의 게이트 절연층의 막 두께는 도전층과 중첩되지 않으며 또한 게이트 전극층과 중첩되지 않는 영역의 게이트 절연층의 막 두께보다 두꺼운 경우가 있다.Further, in the above semiconductor device, the thickness of the gate insulating layer in the region overlapping the conductive layer may be thicker than the thickness of the gate insulating layer in the region not overlapping with the conductive layer and not overlapping with the gate electrode layer.
또한, 본 발명의 다른 일 형태는, 소스 전극층 및 드레인 전극층을 형성하고, 소스 전극층 및 드레인 전극층을 덮는 산화물 반도체층을 형성하고, 소스 전극층 및 드레인 전극층과 중첩되는 영역의 산화물 반도체층을 화학적 기계 연마법으로 제거하여 개구를 갖는 산화물 반도체층으로 하고, 개구를 갖는 산화물 반도체층을 가공하여 소스 전극층과 드레인 전극층 사이에 배치된 섬 형상의 산화물 반도체층을 형성하고, 산화물 반도체층, 소스 전극층 및 드레인 전극층 위에 게이트 절연층을 형성하고, 게이트 절연층을 개재하여 산화물 반도체층과 중첩되는 게이트 전극층을 형성하고, 게이트 전극층을 마스크로 하여 산화물 반도체층에 불순물을 도입하고, 산화물 반도체층에 자기정합적으로 제 1 불순물 영역 및 제 2 불순물 영역을 형성하고, 게이트 절연층 및 게이트 전극층 위에 도전막을 형성하고, 도전막 위에 절연층을 형성하고, 절연층을 가공하여 도전막을 개재하여 게이트 전극층의 측면에 접하는 측벽 절연층을 형성하고, 측벽 절연층을 마스크로 하여 도전막을 에칭함으로써, 게이트 전극층의 측면에 접하는 도전층을 형성하는 반도체 장치의 제작 방법이다.In another aspect of the present invention, a source electrode layer and a drain electrode layer are formed, an oxide semiconductor layer covering the source electrode layer and the drain electrode layer is formed, and the oxide semiconductor layer in the region overlapping the source electrode layer and the drain electrode layer is chemically mechanically connected. It is removed by magic to form an oxide semiconductor layer having an opening, and the oxide semiconductor layer having an opening is processed to form an island-shaped oxide semiconductor layer disposed between the source electrode layer and the drain electrode layer, and the oxide semiconductor layer, the source electrode layer, and the drain electrode layer A gate insulating layer is formed thereon, a gate electrode layer overlapping with the oxide semiconductor layer is formed through the gate insulating layer, impurities are introduced into the oxide semiconductor layer using the gate electrode layer as a mask, and self-aligned removal of the oxide semiconductor layer is performed. 1 impurity region and second impurity region are formed, a conductive film is formed on the gate insulating layer and the gate electrode layer, an insulating layer is formed on the conductive film, and the insulating layer is processed to insulate the sidewalls in contact with the side surfaces of the gate electrode layer through the conductive film. This is a method of manufacturing a semiconductor device in which a layer is formed and a conductive film is etched using the sidewall insulating layer as a mask to form a conductive layer in contact with the side surface of the gate electrode layer.
또한, 본 발명의 다른 일 형태는, 섬 형상의 산화물 반도체층을 형성하고, 산화물 반도체층을 덮는 제 1 도전막을 형성하고, 산화물 반도체층과 중첩되는 제 1 도전막을 화학적 기계 연마법으로 제거하여 개구를 갖는 제 1 도전막으로 하고, 개구를 갖는 제 1 도전막을 가공하여 소스 전극층 및 드레인 전극층을 형성하고, 산화물 반도체층, 소스 전극층 및 드레인 전극층 위에 게이트 절연층을 형성하고, 게이트 절연층을 개재하여 산화물 반도체층과 중첩되는 게이트 전극층을 형성하고, 게이트 전극층을 마스크로 하여 산화물 반도체층에 불순물을 도입하여, 산화물 반도체층에 자기정합적으로 제 1 불순물 영역 및 제 2 불순물 영역을 형성하고, 게이트 절연층 및 게이트 전극층 위에 제 2 도전막을 형성하고, 제 2 도전막 위에 절연층을 형성하고, 절연층을 가공하여 제 2 도전막을 개재하여 게이트 전극층의 측면에 접하는 측벽 절연층을 형성하고, 측벽 절연층을 마스크로 하여 제 2 도전막을 에칭함으로써, 게이트 전극층의 측면에 접하는 도전층을 형성하는 반도체 장치의 제작 방법이다.In another aspect of the present invention, an island-shaped oxide semiconductor layer is formed, a first conductive film covering the oxide semiconductor layer is formed, and the first conductive film overlapping the oxide semiconductor layer is removed by a chemical mechanical polishing method. A first conductive film having an opening is formed, a source electrode layer and a drain electrode layer are formed by processing the first conductive film having an opening, a gate insulating layer is formed on the oxide semiconductor layer, the source electrode layer and the drain electrode layer, and the gate insulating layer is interposed therebetween. Forming a gate electrode layer overlapping with the oxide semiconductor layer, introducing impurities into the oxide semiconductor layer using the gate electrode layer as a mask, forming a first impurity region and a second impurity region in self-alignment in the oxide semiconductor layer, and gate insulation A second conductive film is formed on the layer and the gate electrode layer, an insulating layer is formed on the second conductive film, the insulating layer is processed to form a sidewall insulating layer in contact with the side surface of the gate electrode layer through the second conductive film, and the sidewall insulating layer This is a method of manufacturing a semiconductor device in which a conductive layer in contact with a side surface of a gate electrode layer is formed by etching the second conductive film using as a mask.
또한, 본 명세서 등에서, "일치"란 대략 일치하는 것도 포함한다. 예를 들어, 같은 마스크를 사용하여 에칭한 적층 구조의 층 A의 단부면과 층 B의 단부면은 일치하는 것으로 한다.In addition, in this specification and the like, "match" includes things that are substantially coincident. For example, it is assumed that the end surface of the layer A and the end surface of the layer B of the layered structure etched by using the same mask coincide.
또한, 산화물 반도체는, 단결정, 다결정(폴리크리스탈이라고도 함), 또는 비정질(아몰퍼스라고도 함) 등의 상태를 갖는다.Further, the oxide semiconductor has a state such as single crystal, polycrystalline (also referred to as polycrystal), or amorphous (also referred to as amorphous).
비정질 상태의 산화물 반도체는 비교적 용이하게 평탄한 표면을 얻을 수 있기 때문에, 이것을 사용한 트랜지스터는 동작시킬 때의 캐리어(전자)의 계면 산란을 저감할 수 있고, 비교적 용이하게, 비교적 높은 전계 효과 이동도를 얻을 수 있다.Since an amorphous oxide semiconductor can obtain a relatively flat surface, a transistor using this can reduce the interfacial scattering of carriers (electrons) during operation, and relatively easily obtain a relatively high field effect mobility. I can.
또한, 결정성을 갖는 산화물 반도체에서는, 벌크 내 결함을 더 저감할 수 있고, 표면의 평탄성을 높이면 상기 결정성을 갖는 산화물 반도체를 사용한 트랜지스터는 비정질 상태의 산화물 반도체를 사용한 트랜지스터 이상의 전계 효과 이동도를 얻을 수 있다. 표면의 평탄성을 높이기 위해서는 평탄한 표면 위에 산화물 반도체를 형성하는 것이 바람직하고, 구체적으로는 평균 면 거칠기(Ra)가 0.15nm 이하, 바람직하게는 0.1nm 이하의 표면 위에 형성하면 좋다.In addition, in the case of the oxide semiconductor having crystallinity, defects in the bulk can be further reduced, and when the flatness of the surface is increased, the transistor using the oxide semiconductor having the crystallinity has a field effect mobility higher than that of the transistor using the amorphous oxide semiconductor. You can get it. In order to increase the flatness of the surface, it is preferable to form an oxide semiconductor on a flat surface, and specifically, the average surface roughness (Ra) may be formed on a surface of 0.15 nm or less, preferably 0.1 nm or less.
또한, Ra란, JIS B 0601:2001(ISO4287:1997)로 정의된 산술 평균 거칠기를 곡면에 대하여 적용할 수 있도록 3차원으로 확장한 것이며, ‘기준면으로부터 지정면까지의 편차의 절대값을 평균한 값’으로 표현할 수 있고, 이하의 수학식으로 정의된다.In addition, Ra is a three-dimensional extension so that the arithmetic mean roughness defined in JIS B 0601:2001 (ISO4287:1997) can be applied to a curved surface, and'a value obtained by averaging the absolute value of the deviation from the reference surface to the specified surface. It can be expressed as', and is defined by the following equation.
[수학식 1][Equation 1]
여기서, 지정면이란, 거칠기 계측의 대상이 되는 면을 가리키며, 좌표[x1, y1, f(x1, y1)][x1, y2, f(x1, y2)][x2, y1, f(x2, y1)][x2, y2, f(x2, y2)]의 4점으로 연결되는 사각형의 영역으로 하고, 지정면을 xy 평면에 투영한 직사각형의 면적을 S0, 기준면의 높이(지정면의 평균의 높이)를 Z0라 한다. Ra는 원자간력 현미경(AFM:Atomic Force Microscope)에 의하여 측정할 수 있다.Here, the designated surface refers to the surface to be subjected to roughness measurement, and coordinates [x 1 , y 1 , f(x 1 , y 1 )][x 1 , y 2 , f(x 1 , y 2 )][x 2 , y 1 , f(x 2 , y 1 )][x 2 , y 2 , f(x 2 , y 2 )] as a rectangular area connected by 4 points, and projecting the specified plane onto the xy plane The area of is S 0 , and the height of the reference plane (the average height of the designated plane) is Z 0 . Ra can be measured by an atomic force microscope (AFM).
본 발명의 일 형태의 반도체 장치는, 게이트 전극층을 마스크로 하여 자기정합적으로 산화물 반도체층에 불순물 영역을 형성한 후, 상기 게이트 전극층의 채널 길이 방향의 측면에 접하고, 소스 전극층 및 드레인 전극층과 중첩되는 도전층을 형성한다. 이로써, 미세한 채널 길이를 유지하면서 Lov 영역을 형성할 수 있어, 온 전류의 저하가 억제된 미세한 구조의 트랜지스터를 제공할 수 있다.In the semiconductor device of one embodiment of the present invention, after forming an impurity region in the oxide semiconductor layer in a self-alignment manner using the gate electrode layer as a mask, it contacts the side surface of the gate electrode layer in the channel length direction and overlaps the source electrode layer and the drain electrode layer. Forming a conductive layer. Accordingly, the Lov region can be formed while maintaining a fine channel length, thereby providing a transistor having a fine structure in which a decrease in on current is suppressed.
또한, 게이트 전극층의 일부로서 기능하는 도전층은, 도전막을 개재하여 게이트 전극층 위에 형성된 절연층을 자기정합적으로 측벽 절연층으로 가공한 후, 상기 측벽 절연층을 마스크로 하여 도전막을 에칭함으로써 형성되고, 레지스트 마스크를 사용한 에칭 공정을 사용하지 않기 때문에 정밀한 가공을 정확하게 행할 수 있다. 따라서, 반도체 장치의 제작 공정에서, 형상이나 특성의 편차가 적은 미세한 구조를 갖는 트랜지스터를 수율 좋게 제작할 수 있다.In addition, the conductive layer functioning as a part of the gate electrode layer is formed by self-aligning processing the insulating layer formed on the gate electrode layer through the conductive film into a sidewall insulating layer, and then etching the conductive film using the sidewall insulating layer as a mask. However, since an etching process using a resist mask is not used, precise processing can be performed accurately. Therefore, in the manufacturing process of a semiconductor device, a transistor having a fine structure with little variation in shape or characteristic can be manufactured with good yield.
따라서, 본 발명의 일 형태에 의하여, 양호한 특성을 유지하면서 미세화를 달성한 반도체 장치를 제공할 수 있다.Therefore, according to one embodiment of the present invention, it is possible to provide a semiconductor device that achieves miniaturization while maintaining good characteristics.
도 1a는 반도체 장치의 일 형태를 도시한 평면도이고 도 1b는 단면도.
도 2a는 반도체 장치의 일 형태를 도시한 평면도이고 도 2b는 단면도.
도 3a 내지 도 3d는 반도체 장치의 제작 방법의 일례를 도시한 도면.
도 4a 내지 도 4d는 반도체 장치의 제작 방법의 일례를 도시한 도면.
도 5a는 반도체 장치의 일 형태를 도시한 평면도이고 도 5b는 단면도.
도 6a 내지 도 6d는 반도체 장치의 제작 방법의 일례를 도시한 도면.
도 7a 내지 도 7c는 반도체 장치의 일 형태를 도시한 단면도.
도 8a는 반도체 장치의 일 형태를 도시한 단면도이고, 도 8b는 평면도이고, 도 8c는 회로도.
도 9a는 반도체 장치의 일 형태를 도시한 회로도이고 도 9b는 사시도.
도 10a는 반도체 장치의 일 형태를 도시한 단면도이고 도 10b는 평면도.
도 11a 및 도 11b는 반도체 장치의 일 형태를 도시한 회로도.
도 12는 반도체 장치의 일 형태를 도시한 블록도.
도 13은 반도체 장치의 일 형태를 도시한 블록도.
도 14는 반도체 장치의 일 형태를 도시한 블록도.
도 15는 실시예 시료의 단면 STEM 사진.1A is a plan view showing an embodiment of a semiconductor device, and FIG. 1B is a cross-sectional view.
2A is a plan view showing an embodiment of a semiconductor device, and FIG. 2B is a cross-sectional view.
3A to 3D are diagrams showing an example of a method of manufacturing a semiconductor device.
4A to 4D are diagrams showing an example of a method of manufacturing a semiconductor device.
5A is a plan view showing an embodiment of a semiconductor device, and FIG. 5B is a cross-sectional view.
6A to 6D are diagrams showing an example of a method of manufacturing a semiconductor device.
7A to 7C are cross-sectional views illustrating an embodiment of a semiconductor device.
8A is a cross-sectional view showing an embodiment of a semiconductor device, FIG. 8B is a plan view, and FIG. 8C is a circuit diagram.
9A is a circuit diagram showing an embodiment of a semiconductor device, and FIG. 9B is a perspective view.
10A is a cross-sectional view illustrating an embodiment of a semiconductor device, and FIG. 10B is a plan view.
11A and 11B are circuit diagrams showing an embodiment of a semiconductor device.
12 is a block diagram showing an embodiment of a semiconductor device.
13 is a block diagram showing an embodiment of a semiconductor device.
14 is a block diagram showing an embodiment of a semiconductor device.
15 is a cross-sectional STEM photograph of an example sample.
본 발명의 실시형태의 일례에 대하여 도면을 사용하여 이하에서 설명한다. 다만, 본 발명은 이하의 설명에 한정되지 않고, 본 발명의 취지 및 그 범위에서 벗어남이 없이 그 형태 및 상세한 내용을 다양하게 변경할 수 있는 것은 당업자라면 용이하게 이해할 수 있다. 따라서, 본 발명이 이하의 실시형태의 기재 내용에 한정하여 해석되는 것은 아니다.An example of an embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings. However, the present invention is not limited to the following description, and it can be easily understood by those skilled in the art that the form and detailed contents can be variously changed without departing from the spirit and scope of the present invention. Therefore, the present invention is not interpreted as being limited to the description of the following embodiments.
또한, 이하에 설명하는 본 발명의 구성에 있어서, 동일 부분 또는 동일한 기능을 갖는 부분에는 동일한 부호를 상이한 도면 사이에서 공통으로 사용하고, 그 반복 설명은 생략한다. 또한, 같은 기능을 갖는 부분을 가리키는 경우에는, 해치 패턴을 동일하게 하고, 특별히 부호를 붙이지 않는 경우가 있다.In addition, in the configuration of the present invention described below, the same reference numerals are used in common among different drawings for the same part or parts having the same function, and the repeated description thereof will be omitted. In addition, in the case of indicating a portion having the same function, the hatch pattern is made the same, and there is a case where no reference numeral is given in particular.
또한, 본 명세서 등에 있어서, 제 1, 제 2 등으로서 붙이는 서수사는 편의상 사용하는 것이며, 공정 순서 또는 적층 순서를 나타내는 것이 아니다. 또한, 본 명세서 등에 있어서 발명을 특정하기 위한 사항으로서 고유의 명칭을 나타내는 것이 아니다.In addition, in this specification and the like, ordinal numbers attached as first, second, etc. are used for convenience, and do not indicate a process order or a lamination order. In addition, in this specification and the like, it does not indicate a unique name as a matter for specifying the invention.
(실시형태 1)(Embodiment 1)
본 실시형태에서는, 반도체 장치 및 반도체 장치의 제작 방법의 일 형태에 대하여 도 1a 내지 도 4d를 사용하여 설명한다.In this embodiment, a semiconductor device and an embodiment of a method for manufacturing a semiconductor device will be described with reference to FIGS. 1A to 4D.
도 1a 및 도 1b에 반도체 장치의 예로서 트랜지스터(420)의 평면도 및 단면도를 도시하였다. 도 1a는 트랜지스터(420)의 평면도이고, 도 1b는 도 1a의 X1-Y1에서의 단면도이다. 또한, 도 1a에서는, 번잡해지는 것을 피하기 위하여, 트랜지스터(420)의 구성 요소의 일부(예를 들어 절연층(407) 등)를 생략하여 도시하였다.1A and 1B are plan views and cross-sectional views of a
도 1a 및 도 1b에 도시한 트랜지스터(420)는, 절연 표면을 갖는 기판(400) 위에 하지 절연층(436)과, 소스 전극층(405a) 및 드레인 전극층(405b)과, 불순물 영역(403a), 불순물 영역(403b), 및 채널 형성 영역(403c)을 포함한 산화물 반도체층(403)과, 산화물 반도체층(403), 소스 전극층(405a) 및 드레인 전극층(405b)의 상면과 접하는 게이트 절연층(402)과, 게이트 절연층(402)을 개재하여 채널 형성 영역(403c)과 중첩되는 게이트 전극층(401)과, 게이트 전극층(401)의 측면에 접하는 도전층(411)과, 도전층(411)의 게이트 전극층(401)과 대향하는 측면에 형성된 측벽 절연층(412)을 포함하여 구성된다.The
산화물 반도체층(403)은, 불순물 영역(403a)의 채널 길이 방향의 측면에서 소스 전극층(405a)과 접하고, 불순물 영역(403b)의 채널 길이 방향의 측면에서 드레인 전극층(405b)과 접한다.The
또한, 트랜지스터(420)의 채널 길이 방향의 단면에 있어서, 도전층(411)의 적어도 일부는 게이트 절연층(402)을 개재하여 소스 전극층(405a) 및 드레인 전극층(405b) 위에 형성되어 있다. 도전층(411)은, 게이트 전극층(401)의 측면에 접하여 형성되며 게이트 전극층(401)의 일부로서 기능할 수 있기 때문에, 채널 길이 방향의 단면에 있어서 게이트 절연층(402)을 개재하여 소스 전극층(405a) 또는 드레인 전극층(405b)과 중첩되는 영역을 Lov 영역으로 할 수 있다.In addition, in the cross section of the
또한, 도전층(411)의 게이트 전극층(401)과 대향하는 측면의 일부에 접하도록 측벽 절연층(412)이 형성되어 있다. 도전층(411)은 제작 공정에서 게이트 전극층(401)을 덮는 도전막을, 측벽 절연층(412)을 마스크로 하여 가공함으로써 형성된다. 따라서, 도전층(411)의 측단부는 측벽 절연층(412)의 측단부와 일치한다.Further, a
또한, Lov 영역의 길이가 길면 상기 영역에 생기는 기생 용량이 확대될 우려가 있지만, 본 실시형태에서는 도전층(411)을 개재하여 게이트 전극층(401)의 측면에 자기정합적으로 형성된 측벽 절연층(412)의 길이에 의하여 Lov 영역의 길이를 제어할 수 있다. 따라서, 미세한 Lov 영역을 정밀하게 가공할 수 있다.In addition, if the length of the Lov region is long, there is a concern that the parasitic capacitance generated in the region may increase, but in this embodiment, a sidewall insulating layer formed in a self-aligning manner on the side surface of the
또한, 도 1a 및 도 1b에 도시한 트랜지스터(420)는, 측벽 절연층(412) 및 게이트 전극층(401) 위에 형성된 절연층(406) 및 절연층(407)과, 절연층(407) 위에 형성된 배선층(435a) 및 배선층(435b)을 구성 요소로 포함하여도 좋다. 배선층(435a)은 절연층(406), 절연층(407) 및 게이트 절연층(402)에 제공된 개구를 통하여 소스 전극층(405a)과 전기적으로 접속되고, 배선층(435b)은 절연층(406), 절연층(407) 및 게이트 절연층(402)에 제공된 개구를 통하여 드레인 전극층(405b)과 전기적으로 접속된다.In addition, the
산화물 반도체층(403)은, 게이트 전극층(401)을 마스크로 하여 도펀트를 도입함으로써 자기정합적으로 형성된 불순물 영역(403a) 및 불순물 영역(403b)을 포함한다. 상기 영역은 트랜지스터(420)의 소스 영역 또는 드레인 영역으로서 기능시킬 수 있으며, 채널 형성 영역(403c)보다 저저항화된 영역이다. 불순물 영역(403a) 및 불순물 영역(403b)을 형성함으로써, 상기 한 쌍의 불순물 영역 사이에 형성된 채널 형성 영역(403c)에 가해지는 전계를 완화시킬 수 있다. 또한, 소스 전극층(405a) 및 드레인 전극층(405b) 각각이 불순물 영역과 접하는 구성으로 함으로써, 산화물 반도체층(403)과, 소스 전극층(405a) 및 드레인 전극층(405b)의 콘택트 저항을 저감할 수 있다.The
또한, 산화물 반도체층(403)의 채널 길이 방향의 길이를 게이트 전극층(401)의 채널 길이 방향의 길이보다 길게 함으로써, 게이트 전극층(401)을 형성하기 위한 얼라인먼트의 자유도를 더 향상시킬 수 있고, 산화물 반도체층(403)에 불순물 영역을 형성함으로써 트랜지스터(420)의 채널 길이를 축소할 수 있다. 따라서, 미세화된 트랜지스터를 수율 좋게 제작할 수 있다.In addition, by making the length of the
불순물 영역(403a) 및 불순물 영역(403b)에 포함되는 도펀트는, 산화물 반도체층(403)의 도전율을 변화시키는 불순물이다. 도펀트로서는, 제 15 족 원소(대표적으로는 인(P), 비소(As), 및 안티몬(Sb)), 붕소(B), 알루미늄(Al), 질소(N), 아르곤(Ar), 헬륨(He), 네온(Ne), 인듐(In), 티타늄(Ti), 및 아연(Zn) 중에서 선택된 하나 이상의 원소를 사용할 수 있다. 또한, 도펀트의 도입 방법으로서 이온 주입법, 이온 도핑법, 플라즈마 잠입 이온 주입법 등을 사용할 수 있다.Dopants included in the
또한, 산화물 반도체층(403)은 CAAC-OS(C Axis Aligned Crystalline Oxide Semiconductor)막인 것이 바람직하다.Further, the
CAAC-OS막은 완전한 단결정이 아니고, 완전한 비정질도 아니다. CAAC-OS막은 비정질상으로 결정부 및 비정질부를 갖는 결정-비정질 혼상 구조의 산화물 반도체층이다. 또한, 상기 결정부는 하나의 변이 100nm 미만인 입방체 내에 들어가는 크기인 경우가 많다. 또한, 투과형 전자 현미경(TEM: Transmission Electron Microscope)에 의한 관찰상에서는 CAAC-OS막에 포함되는 비정질부와 결정부의 경계는 명확하지 않다. 또한, TEM에 의하여 CAAC-OS막에는 입계(그레인 바운더리라고도 함)는 확인할 수 없다. 따라서, CAAC-OS막은 입계에 기인하는 전자 이동도의 저하가 억제된다.The CAAC-OS film is not completely single crystal, nor is it completely amorphous. The CAAC-OS film is an oxide semiconductor layer having a crystalline-amorphous mixed phase structure having a crystalline portion and an amorphous portion in an amorphous phase. In addition, the crystal part is often sized to fit in a cube whose one side is less than 100 nm. In addition, the boundary between the amorphous portion and the crystal portion included in the CAAC-OS film is not clear from observation by a transmission electron microscope (TEM). In addition, grain boundaries (also referred to as grain boundaries) cannot be confirmed in the CAAC-OS film by TEM. Accordingly, in the CAAC-OS film, the decrease in electron mobility due to grain boundaries is suppressed.
CAAC-OS막에 포함되는 결정부는 c축이 CAAC-OS막의 피형성면의 법선 벡터 또는 표면의 법선 벡터에 평행한 방향으로 정렬되고, 또한 ab면에 수직인 방향에서 보아서 삼각 형상 또는 육각 형상의 원자 배열을 갖고, c축에 수직인 방향에서 보아서 금속 원자가 층상 또는 금속 원자와 산소 원자가 층상으로 배열되어 있다. 또한, 상이한 결정부 사이에서 a축 및 b축의 방향이 각각 상이하여도 좋다. 본 명세서에서 단순히 "수직"이라고 기재하는 경우에는, 85° 이상 95° 이하의 범위도 포함되는 것으로 한다. 또한, 단순히 "평행"이라고 기재하는 경우에는, -5° 이상 5° 이하의 범위도 포함되는 것으로 한다.The crystal part included in the CAAC-OS film is aligned in a direction in which the c-axis is parallel to the normal vector of the surface to be formed of the CAAC-OS film or the normal vector of the surface, and has a triangular or hexagonal shape when viewed from a direction perpendicular to the ab plane. It has an atomic arrangement, and when viewed from a direction perpendicular to the c-axis, metal atoms are arranged in layers, or metal atoms and oxygen atoms are arranged in layers. Further, the directions of the a-axis and the b-axis may be different between different crystal parts. In the case of simply describing "vertical" in the present specification, the range of 85° or more and 95° or less is also included. In addition, in the case of simply describing "parallel", the range of -5° or more and 5° or less is also included.
또한, CAAC-OS막에서 결정부의 분포가 균일하지 않아도 좋다. 예를 들어, CAAC-OS막의 형성 과정에서 산화물 반도체막의 표면 측에서 결정 성장시키는 경우에는, 피형성면 근방보다 표면 근방에서 결정부가 차지하는 비율이 높은 경우가 있다. 또한, CAAC-OS막에 불순물을 첨가함으로써 상기 불순물 첨가 영역에서 결정부가 비정질화되는 경우도 있다.In addition, the distribution of crystal parts in the CAAC-OS film may not be uniform. For example, in the case of crystal growth on the surface side of the oxide semiconductor film in the process of forming the CAAC-OS film, there may be a case where the ratio of the crystal portion occupied near the surface is higher than near the surface to be formed. In addition, there are cases where the crystal portion is amorphized in the impurity addition region by adding an impurity to the CAAC-OS film.
CAAC-OS막에 포함되는 결정부의 c축은 CAAC-OS막의 피형성면의 법선 벡터 또는 표면의 법선 벡터에 평행한 방향으로 정렬되기 때문에, CAAC-OS막의 형상(피형성면의 단면 형상 또는 표면의 단면 형상)에 따라서는 서로 상이한 방향을 향하는 경우가 있다. 또한, 결정부의 c축 방향은 CAAC-OS막이 형성되었을 때의 피형성면의 법선 벡터 또는 표면의 법선 벡터에 평행한 방향이 된다. 성막하거나 또는 성막 후에 가열 처리 등의 결정화 처리를 행함으로써 결정부가 형성된다.The c-axis of the crystal part included in the CAAC-OS film is aligned in a direction parallel to the normal vector of the surface to be formed or the normal vector of the surface of the CAAC-OS film. Depending on the cross-sectional shape), they may face different directions. In addition, the c-axis direction of the crystal part is a direction parallel to the normal vector of the surface to be formed or the normal vector of the surface when the CAAC-OS film is formed. A crystal portion is formed by forming a film or performing a crystallization treatment such as heat treatment after film formation.
CAAC-OS막을 사용한 트랜지스터는 가시광이나 자외광의 조사에 기인한 전기 특성의 변동이 작다. 따라서, 상기 트랜지스터는 신뢰성이 높다.Transistors using the CAAC-OS film have little variation in electrical characteristics due to irradiation with visible or ultraviolet light. Therefore, the transistor has high reliability.
도 2a 및 도 2b에 본 실시형태에 따른 반도체 장치의 다른 예로서 트랜지스터(422)의 평면도 및 단면도를 도시하였다. 도 2a는 트랜지스터(422)의 평면도이며, 도 2b는 도 2a의 X2-Y2에서의 단면도이다. 또한, 도 2a에서는 번잡해지는 것을 피하기 위하여, 트랜지스터(422)의 구성 요소의 일부(예를 들어 절연층(407) 등)를 생략하여 도시하였다.2A and 2B are plan views and cross-sectional views of a
도 2a 및 도 2b에 도시한 트랜지스터(422)는 도 1에 도시한 트랜지스터(420)와 마찬가지로, 절연 표면을 갖는 기판(400) 위에 하지 절연층(436)과, 소스 전극층(405a) 및 드레인 전극층(405b)과, 불순물 영역(403a), 불순물 영역(403b) 및 채널 형성 영역(403c)을 포함한 산화물 반도체층(403)과, 산화물 반도체층(403), 소스 전극층(405a) 및 드레인 전극층(405b)의 상면과 접하는 게이트 절연층(402)과, 게이트 절연층(402)을 개재하여 채널 형성 영역(403c)과 중첩되는 게이트 전극층(401)과, 게이트 전극층(401)의 측면에 접하는 도전층(411)과, 도전층(411)의 게이트 전극층(401)과 대향하는 측면에 형성된 측벽 절연층(412)을 포함하여 구성된다.2A and 2B, the
도 2a 및 도 2b에 도시한 트랜지스터(422)에 포함되는 산화물 반도체층(403)은, 소스 전극층(405a) 또는 드레인 전극층(405b)과 접하는 측면에서 테이퍼 형상을 갖는 점에서 도 1a 및 도 1b에 도시한 트랜지스터(420)와 상이하다. 트랜지스터(422)에서 산화물 반도체층(403)의 테이퍼각은 예를 들어 20° 이상 50° 이하로 할 수 있다. 또한, 여기서 "테이퍼각"이란, 테이퍼 형상을 갖는 층(여기서는 산화물 반도체층(403))을 그 단면에 수직인 방향으로부터 관찰할 때, 상기 테이퍼 형상을 갖는 층의 측면과 저면이 이루는 경사각을 나타낸다.The
산화물 반도체층(403)의 측면을 테이퍼 형상으로 함으로써, 소스 전극층(405a) 또는 드레인 전극층(405b)과의 접촉 면적을 확대할 수 있기 때문에, 콘택트 저항을 더 저감시킬 수 있다.By making the side surface of the
또한, 산화물 반도체층(403)이 결정성을 갖는 산화물 반도체인 경우, 산화물 반도체층(403)이 테이퍼 형상을 가짐으로써, 산화물 반도체층(403)의 측면으로부터 산소가 탈리함에 기인한 산소 결손의 발생을 억제하여, 트랜지스터(422)의 누설 전류의 발생을 저감할 수 있다.In addition, when the
이하에서, 도 3a 내지 도 4d를 사용하여 본 실시형태의 트랜지스터의 제작 공정의 예에 대하여 설명한다. 또한, 이하에서는 트랜지스터(422)의 제작 방법을 예로 들어 설명한다.Hereinafter, an example of the manufacturing process of the transistor of this embodiment will be described with reference to FIGS. 3A to 4D. In addition, in the following, a method of manufacturing the
우선, 절연 표면을 갖는 기판(400) 위에 하지 절연층(436)을 형성한다.First, a
절연 표면을 갖는 기판(400)에 사용할 수 있는 기판에 큰 제한은 없지만, 적어도, 나중의 가열 처리 공정에 견딜 수 있을 정도의 내열성을 갖고 있는 것이 필요하다. 예를 들어 바륨 보로실리케이트 유리나 알루미노 보로실리케이트 유리 등의 유리 기판, 세라믹스 기판, 석영 기판, 사파이어 기판 등을 사용할 수 있다. 또한, 실리콘이나 탄화 실리콘을 재료로 한 단결정 반도체 기판이나 다결정 반도체 기판, 실리콘게르마늄을 재료로 한 화합물 반도체 기판, SOI 기판 등을 적용할 수도 있고, 이들 기판 위에 반도체 소자가 형성된 것을 기판(400)으로서 사용하여도 좋다.There is no great limitation on the substrate that can be used for the
또한, 기판(400)으로서 가요성 기판을 사용하여 반도체 장치를 제작하여도 좋다. 가요성을 갖는 반도체 장치를 제작하기 위해서는, 가요성 기판 위에 산화물 반도체층(403)을 포함하는 트랜지스터(422)를 직접 제작하여도 좋고, 다른 제작 기판에 산화물 반도체층(403)을 포함하는 트랜지스터(422)를 제작하고, 그 후에 제작 기판으로부터 박리하고 가요성 기판으로 전치하여도 좋다. 또한, 제작 기판으로부터 박리하고 가요성 기판으로 전치하기 위하여, 제작 기판과 산화물 반도체층을 포함하는 트랜지스터(422) 사이에 박리층을 형성하면 좋다.Further, a flexible substrate may be used as the
하지 절연층(436)은, 산화 실리콘, 질화 실리콘, 산화 질화 실리콘, 질화 산화 실리콘, 산화 알루미늄, 질화 알루미늄, 산화 질화 알루미늄, 질화 산화 알루미늄, 산화 하프늄, 산화 갈륨, 또는 이들 혼합 재료를 포함한 막의 단층 구조 또는 적층 구조로 할 수 있다. 다만, 하지 절연층(436)은 산화물 절연막을 포함한 단층 구조 또는 적층 구조로 하고, 상기 산화물 절연막이 후에 형성될 산화물 반도체층(403)과 접하는 구조로 하는 것이 바람직하다. 또한, 하지 절연층(436)을 반드시 형성하지 않아도 좋다.The
하지 절연층(436)은 화학량론적 조성을 넘는 산소를 포함한 영역(이하, 산소 과잉 영역이라고도 표기함)을 가지면, 하지 절연층(436)에 포함되는 과잉의 산소에 의하여 후에 형성될 산화물 반도체층(403)의 산소 결손을 보전할 수 있기 때문에 바람직하다. 하지 절연층(436)이 적층 구조인 경우에는, 적어도 산화물 반도체층(403)과 접하는 층에 산소 과잉 영역을 갖는 것이 바람직하다. 하지 절연층(436)에 산소 과잉 영역을 형성하기 위해서는, 예를 들어, 산소 분위기하에서 하지 절연층(436)을 형성하면 좋다. 또는, 형성 후의 하지 절연층(436)에, 산소(적어도, 산소 라디칼, 산소 원자, 산소 이온 중 어느 것을 함유함)를 도입하고, 산소 과잉 영역을 형성하여도 좋다. 산소의 도입 방법으로서는, 이온 주입법, 이온 도핑법, 플라즈마 잠입 이온 주입법, 플라즈마 처리 등을 사용할 수 있다.If the underlying insulating
다음에, 하지 절연층(436) 위에 산화물 반도체층을 형성하고, 섬 형상으로 가공하여 산화물 반도체층(403)을 형성한다(도 3a 참조). 산화물 반도체층(403)의 막 두께는, 예를 들어 3nm 내지 30nm, 바람직하게는 5nm 내지 20nm로 한다.Next, an oxide semiconductor layer is formed on the underlying insulating
산화물 반도체층은 단층 구조라도 좋고 적층 구조라도 좋다. 또한, 비정질 구조라도 좋고 결정성이라도 좋다. 산화물 반도체층을 비정질 구조로 하는 경우에는 후의 제작 공정에서, 산화물 반도체층에 가열 처리를 행함으로써, 결정성 산화물 반도체층으로 하여도 좋다. 비정질 산화물 반도체층을 결정화시키는 가열 처리의 온도는, 250℃ 이상 700℃ 이하, 바람직하게는 400℃ 이상, 보다 바람직하게는 500℃ 이상, 더 바람직하게는 550℃ 이상으로 한다. 또한, 상기 가열 처리는 제작 공정에서의 다른 가열 처리와 겸할 수도 있다.The oxide semiconductor layer may have a single-layer structure or a stacked structure. In addition, an amorphous structure may be sufficient or a crystalline structure may be sufficient as it. When the oxide semiconductor layer has an amorphous structure, a crystalline oxide semiconductor layer may be obtained by performing heat treatment on the oxide semiconductor layer in a subsequent fabrication step. The temperature of the heat treatment for crystallizing the amorphous oxide semiconductor layer is set to 250°C or higher and 700°C or lower, preferably 400°C or higher, more preferably 500°C or higher, and further preferably 550°C or higher. In addition, the said heat treatment may also serve as another heat treatment in a manufacturing process.
산화물 반도체층의 형성 방법은, 스퍼터링법, MBE(Molecular Beam Epitaxy)법, CVD(Chemical Vapor Deposition)법, 펄스 레이저 퇴적법, ALD(Atomic Layer Deposition)법 등을 적절히 사용할 수 있다. 또한, 산화물 반도체층은 스퍼터링 타깃 표면에 대략 수직으로 복수의 기판 표면이 고정된 상태에서 막을 형성하는 스퍼터링 장치를 사용하여 형성하여도 좋다.As a method for forming the oxide semiconductor layer, a sputtering method, a Molecular Beam Epitaxy (MBE) method, a chemical vapor deposition (CVD) method, a pulse laser deposition method, an atomic layer deposition (ALD) method, or the like can be appropriately used. Further, the oxide semiconductor layer may be formed by using a sputtering apparatus that forms a film while a plurality of substrate surfaces are fixed substantially perpendicular to the sputtering target surface.
산화물 반도체층을 형성할 때, 산화물 반도체층에 함유되는 수소 농도를 최대한 저감시키는 것이 바람직하다. 수소 농도를 저감시키기 위해서는, 예를 들어 스퍼터링법을 사용하여 형성하는 경우에는 스퍼터링 장치의 성막실 내에 공급하는 분위기 가스로서, 수소, 물, 수산기 또는 수소화물 등의 불순물이 제거된 고순도의 희가스(대표적으로는 아르곤), 산소, 및 희가스와 산소의 혼합 가스를 적절히 사용한다.When forming the oxide semiconductor layer, it is preferable to reduce the concentration of hydrogen contained in the oxide semiconductor layer as much as possible. In order to reduce the hydrogen concentration, for example, in the case of forming by sputtering, as an atmospheric gas supplied into the deposition chamber of a sputtering device, a high-purity rare gas from which impurities such as hydrogen, water, hydroxyl groups, or hydrides have been removed (representative As an example, argon), oxygen, and a mixed gas of a rare gas and oxygen are appropriately used.
또한, 성막실 내의 잔류 수분을 제거하면서 수소 및 수분이 제거된 스퍼터링 가스를 도입하여 성막함으로써, 형성된 산화물 반도체층의 수소 농도를 저감시킬 수 있다. 성막실 내의 잔류 수분을 제거하기 위해서는, 흡착형의 진공 펌프, 예를 들어, 크라이오 펌프, 이온 펌프, 티타늄 서블리메이션 펌프를 사용하는 것이 바람직하다. 또한, 터보 분자 펌프에 콜드 트랩을 더한 것이어도 좋다. 크라이오 펌프를 사용하여 배기한 성막실은, 예를 들어, 수소 분자, 물(H2O) 등 수소 원자를 포함한 화합물(더 바람직하게는 탄소 원자를 포함한 화합물도) 등의 배기 능력이 높기 때문에, 상기 성막실에서 형성한 산화물 반도체층에 포함되는 불순물의 농도를 저감할 수 있다.Further, the hydrogen concentration in the formed oxide semiconductor layer can be reduced by introducing hydrogen and a sputtering gas from which moisture has been removed to form a film while removing residual moisture in the film formation chamber. In order to remove residual moisture in the film formation chamber, it is preferable to use an adsorption type vacuum pump, for example, a cryo pump, an ion pump, or a titanium sublimation pump. Further, it may be a turbomolecular pump plus a cold trap. Since the film formation chamber exhausted by using a cryopump has high evacuation capacity of compounds containing hydrogen atoms (more preferably compounds containing carbon atoms) , for example, hydrogen molecules and water (H 2 O), The concentration of impurities included in the oxide semiconductor layer formed in the deposition chamber can be reduced.
또한, 산화물 반도체층을 스퍼터링법으로 형성하는 경우에는, 성막에 사용하는 금속 산화물 타깃의 상대 밀도(충전율(充塡率))는 90% 이상 100% 이하, 바람직하게는 95% 이상 99.9% 이하로 한다. 상대 밀도가 높은 금속 산화물 타깃을 사용함으로써, 성막한 산화물 반도체층을 치밀한 막으로 할 수 있다.In the case of forming the oxide semiconductor layer by sputtering, the relative density (filling rate) of the metal oxide target used for film formation is 90% or more and 100% or less, preferably 95% or more and 99.9% or less. do. By using a metal oxide target having a high relative density, the formed oxide semiconductor layer can be formed into a dense film.
또한, 기판(400)을 고온으로 유지한 상태에서 산화물 반도체층을 형성하는 것도, 산화물 반도체층 중에 함유될 수 있는 불순물 농도를 저감시키는데 유효하다. 기판(400)을 가열하는 온도로서는, 150℃ 이상 450℃ 이하로 하면 좋고, 바람직하게는 기판 온도가 200℃ 이상 350℃ 이하로 하면 좋다. 또한, 성막시에 기판을 고온으로 가열함으로써, 결정성 산화물 반도체층을 형성할 수 있다.In addition, forming the oxide semiconductor layer while maintaining the
산화물 반도체층(403)에 사용하는 산화물 반도체로서는, 적어도 인듐(In) 또는 아연(Zn)을 함유하는 것이 바람직하다. 특히, In과 Zn 양쪽 모두를 함유하는 것이 바람직하다. 또한, 상기 산화물 반도체를 사용한 트랜지스터의 전기 특성의 불균일을 감소시키기 위한 스테빌라이저로서, 이들 이외에 갈륨(Ga)을 추가적으로 갖는 것이 바람직하다. 또한, 스테빌라이저로서 주석(Sn)을 갖는 것이 바람직하다. 또한, 스테빌라이저로서 하프늄(Hf)을 갖는 것이 바람직하다. 또한, 스테빌라이저로서 알루미늄(Al)을 갖는 것이 바람직하다. 또한, 스테빌라이저로서 지르코늄(Zr)을 갖는 것이 바람직하다.The oxide semiconductor used for the
또한, 다른 스테빌라이저로서, 란타노이드인, 란탄(La), 세륨(Ce), 프라세오디뮴(Pr), 네오디뮴(Nd), 사마륨(Sm), 유로퓸(Eu), 가돌리늄(Gd), 테르븀(Tb), 디스프로슘(Dy), 홀뮴(Ho), 에르븀(Er), 툴륨(Tm), 이테르븀(Yb), 루테튬(Lu) 중 어느 1 종류 또는 복수 종류를 가져도 좋다.In addition, as other stabilizers, lanthanides, lanthanum (La), cerium (Ce), praseodymium (Pr), neodymium (Nd), samarium (Sm), europium (Eu), gadolinium (Gd), terbium (Tb) , Dysprosium (Dy), holmium (Ho), erbium (Er), thulium (Tm), ytterbium (Yb), and lutetium (Lu) may have any one or more.
예를 들어, 산화물 반도체로서, 산화 인듐, 산화 주석, 산화 아연, 2원계 금속의 산화물인 In-Zn계 산화물, Sn-Zn계 산화물, Al-Zn계 산화물, Zn-Mg계 산화물, Sn-Mg계 산화물, In-Mg계 산화물, In-Ga계 산화물, 3원계 금속의 산화물인 In-Ga-Zn계 산화물(IGZO라고도 표기함), In-Al-Zn계 산화물, In-Sn-Zn계 산화물, Sn-Ga-Zn계 산화물, Al-Ga-Zn계 산화물, Sn-Al-Zn계 산화물, In-Hf-Zn계 산화물, In-La-Zn계 산화물, In-Ce-Zn계 산화물, In-Pr-Zn계 산화물, In-Nd-Zn계 산화물, In-Sm-Zn계 산화물, In-Eu-Zn계 산화물, In-Gd-Zn계 산화물, In-Tb-Zn계 산화물, In-Dy-Zn계 산화물, In-Ho-Zn계 산화물, In-Er-Zn계 산화물, In-Tm-Zn계 산화물, In-Yb-Zn계 산화물, In-Lu-Zn계 산화물, 4원계 금속의 산화물인 In-Sn-Ga-Zn계 산화물, In-Hf-Ga-Zn계 산화물, In-Al-Ga-Zn계 산화물, In-Sn-Al-Zn계 산화물, In-Sn-Hf-Zn계 산화물, In-Hf-Al-Zn계 산화물을 사용할 수 있다.For example, as oxide semiconductors, indium oxide, tin oxide, zinc oxide, In-Zn oxide, Sn-Zn oxide, Al-Zn oxide, Zn-Mg oxide, Sn-Mg Oxide, In-Mg Oxide, In-Ga Oxide, In-Ga-Zn Oxide (also referred to as IZO), In-Al-Zn Oxide, In-Sn-Zn Oxide , Sn-Ga-Zn-based oxide, Al-Ga-Zn-based oxide, Sn-Al-Zn-based oxide, In-Hf-Zn-based oxide, In-La-Zn-based oxide, In-Ce-Zn-based oxide, In -Pr-Zn-based oxide, In-Nd-Zn-based oxide, In-Sm-Zn-based oxide, In-Eu-Zn-based oxide, In-Gd-Zn-based oxide, In-Tb-Zn-based oxide, In-Dy -Zn-based oxide, In-Ho-Zn-based oxide, In-Er-Zn-based oxide, In-Tm-Zn-based oxide, In-Yb-Zn-based oxide, In-Lu-Zn-based oxide, quaternary metal oxide Phosphorus In-Sn-Ga-Zn oxide, In-Hf-Ga-Zn oxide, In-Al-Ga-Zn oxide, In-Sn-Al-Zn oxide, In-Sn-Hf-Zn oxide , In-Hf-Al-Zn-based oxide can be used.
또한, 여기서는 예를 들어 In-Ga-Zn계 산화물이란, In, Ga, 및 Zn을 주성분으로서 갖는 산화물을 뜻하고, In, Ga, 및 Zn의 비율은 불문한다. 또한, In과 Ga와 Zn 이외의 금속 원소가 들어 있어도 좋다.In addition, here, for example, an In-Ga-Zn-based oxide means an oxide having In, Ga, and Zn as main components, and the ratio of In, Ga, and Zn is irrelevant. Further, metal elements other than In, Ga, and Zn may be contained.
또한, 산화물 반도체로서, InMO3(ZnO)m(m>0, 또한 m은 정수가 아님)으로 표기되는 재료를 사용하여도 좋다. 또한, M은, Ga, Fe, Mn 및 Co로부터 선택된 하나의 금속 원소 또는 복수의 금속 원소를 나타낸다. 또한, 산화물 반도체로서, In2SnO5(ZnO)n(n>0, 또한 n은 정수)으로 표기되는 재료를 사용하여도 좋다.Further, as the oxide semiconductor, a material denoted by InMO 3 (ZnO) m (m>0, and m is not an integer) may be used. In addition, M represents one metal element or a plurality of metal elements selected from Ga, Fe, Mn, and Co. Further, as the oxide semiconductor, a material represented by In 2 SnO 5 (ZnO) n (n>0, and n is an integer) may be used.
예를 들어, 원자수비가 In:Ga:Zn=1:1:1(=1/3:1/3:1/3), In:Ga:Zn= 2:2:1(=2/5:2/5:1/5), 또는 In:Ga:Zn=3:1:2(=1/2:1/6:1/3)인 In-Ga-Zn계 산화물이나 그것 근방의 조성을 갖는 산화물을 사용할 수 있다. 또는, 원자수비가 In:Sn:Zn=1:1:1(=1/3:1/3:1/3), In:Sn:Zn=2:1:3(=1/3:1/6:1/2) 또는 In:Sn:Zn=2:1:5(=1/4:1/8:5/8)인 In-Sn-Zn계 산화물이나 그것 근방의 조성을 갖는 산화물을 사용하면 좋다.For example, the atomic ratio In:Ga:Zn=1:1:1(=1/3:1/3:1/3), In:Ga:Zn= 2:2:1(=2/5: 2/5:1/5), or In:Ga:Zn=3:1:2 (=1/2:1/6:1/3), In-Ga-Zn oxide or oxide having a composition near it Can be used. Alternatively, the atomic ratio is In:Sn:Zn=1:1:1(=1/3:1/3:1/3), In:Sn:Zn=2:1:3(=1/3:1/ 6:1/2) or In:Sn:Zn=2:1:5 (=1/4:1/8:5/8) In-Sn-Zn oxide or oxide having a composition near it good.
그러나, 상술한 것에 한정되지 않고, 필요한 반도체 특성(이동도, 임계 값, 편차 등)에 따라 적절한 조성의 것을 사용하면 좋다. 또한, 필요한 반도체 특성을 얻기 위하여, 캐리어 농도나 불순물 농도, 결함 밀도, 금속 원소와 산소의 원자수비, 원자간 거리, 밀도 등을 적절한 것으로 하는 것이 바람직하다.However, the present invention is not limited to the above, and a composition having an appropriate composition may be used depending on the required semiconductor characteristics (mobility, threshold value, deviation, etc.). In addition, in order to obtain the necessary semiconductor properties, it is preferable that the carrier concentration or impurity concentration, the defect density, the atomic ratio of the metal element and oxygen, the distance between atoms, the density, and the like are appropriate.
예를 들어, In-Sn-Zn계 산화물은 비교적 용이하게 높은 이동도를 얻을 수 있다. 그러나, In-Ga-Zn계 산화물을 사용한 경우에도 벌크 내 결함 밀도를 저감함으로써 이동도를 올릴 수 있다.For example, the In-Sn-Zn-based oxide can relatively easily obtain high mobility. However, even when an In-Ga-Zn-based oxide is used, the mobility can be increased by reducing the defect density in the bulk.
또한, 예를 들어, In, Ga, Zn의 원자수비가 In:Ga:Zn=a:b:c(a+b+c=1)인 산화물의 조성이, 원자수비가 In:Ga:Zn=A:B:C(A+B+C=1)인 산화물의 조성 근방인 것은, a, b, c가 (a-A)2+(b-B)2+(c-C)2≤r2를 만족하는 것을 의미한다. r로서는, 예를 들어, 0.05로 하면 좋다. 다른 산화물도 마찬가지다.In addition, for example, the composition of the oxide in which the atomic ratio of In, Ga, and Zn is In:Ga:Zn=a:b:c (a+b+c=1) is In:Ga:Zn=A:B: In the vicinity of the composition of the oxide of C(A+B+C=1), it means that a, b, and c satisfy (aA) 2 +(bB) 2 +(cC) 2 ? r 2. As r, it is good to set it as 0.05, for example. The same goes for other oxides.
또한, 산화물 반도체층을 형성할 때에 사용하는 스퍼터링 가스는 수소, 물, 수산기 또는 수소화물 등의 불순물이 제거된 고순도 가스를 사용하는 것이 바람직하다.In addition, it is preferable to use a high-purity gas from which impurities such as hydrogen, water, hydroxyl groups, or hydrides have been removed as the sputtering gas used when forming the oxide semiconductor layer.
산화물 반도체층(403)으로서 CAAC-OS막을 적용하는 경우, 상기 CAAC-OS막을 얻는 방법으로서 3가지 방법을 들 수 있다. 첫 번째 방법은 성막 온도를 200℃ 이상 450℃ 이하로 하여 산화물 반도체층을 형성하고, 표면에 대략 수직으로 c축 배향시키는 방법이다. 두 번째 방법은 두께가 얇은 산화물 반도체층을 형성한 후, 200℃ 이상 700℃ 이하의 가열 처리를 행하여 표면에 대략 수직으로 c축 배향시키는 방법이다. 세 번째 방법은 첫 번째 층을 얇은 막 두께로 형성한 후, 200℃ 이상 700℃ 이하의 가열 처리를 행한 후, 두 번째 층을 형성하여 표면에 대략 수직으로 c축 배향시키는 방법이다.When a CAAC-OS film is applied as the
산화물 반도체층을 형성하기 전에, 산화물 반도체층의 피형성면에 평탄화 처리를 행하여도 좋다. 평탄화 처리로서는, 특별히 한정되지 않지만, 연마 처리(예를 들어, 화학적 기계 연마법), 드라이 에칭 처리, 플라즈마 처리를 사용할 수 있다.Before forming the oxide semiconductor layer, a planarization treatment may be performed on the surface to be formed of the oxide semiconductor layer. Although it does not specifically limit as a planarization process, A polishing process (for example, a chemical mechanical polishing method), a dry etching process, and a plasma process can be used.
플라즈마 처리로서는, 예를 들어, 아르곤 가스를 도입하여 플라즈마를 발생시키는 역 스퍼터링을 행할 수 있다. 역 스퍼터링이란, 아르곤 분위기하에서 RF 전원을 사용하여 기판측에 전압을 인가함으로써, 기판 근방에 플라즈마를 형성하여 기판의 표면을 개질하는 방법을 말한다. 또한, 아르곤 대신에 질소, 헬륨, 산소 등을 사용하여도 좋다. 역 스퍼터링을 행하면, 산화물 반도체층의 형성 표면에 부착되어 있는 가루 상태 물질(파티클, 쓰레기라고도 함)을 제거할 수 있다.As the plasma treatment, for example, reverse sputtering in which plasma is generated by introducing argon gas can be performed. Reverse sputtering refers to a method of modifying the surface of a substrate by forming plasma in the vicinity of the substrate by applying a voltage to the substrate side using an RF power source in an argon atmosphere. Further, instead of argon, nitrogen, helium, oxygen, or the like may be used. By performing reverse sputtering, powdery substances (also referred to as particles and garbage) adhering to the formation surface of the oxide semiconductor layer can be removed.
평탄화 처리로서, 연마 처리, 드라이 에칭 처리, 플라즈마 처리를 복수 횟수 행하여도 좋고, 이들을 조합하여 행하여도 좋다. 또한, 이들을 조합하여 행하는 경우, 공정 순서도 특별히 한정되지 않고, 산화물 반도체층의 형성 표면의 요철 상태에 맞추어 적절하게 설정하면 좋다.As the planarization treatment, a polishing treatment, a dry etching treatment, and a plasma treatment may be performed a plurality of times, or a combination thereof may be performed. In addition, when performing these combinations, the process order is not particularly limited, and may be appropriately set according to the uneven state of the formation surface of the oxide semiconductor layer.
또한, 산화물 반도체층(403)에, 상기 산화물 반도체층(403)에 함유되는 과잉의 수소(물이나 수산기를 포함함)를 제거(탈수화 또는 탈수소화)하기 위한 가열 처리를 행하는 것이 바람직하다. 가열 처리의 온도는, 300℃ 이상 700℃ 이하, 또는 기판의 변형점 미만으로 한다. 가열 처리는 감압하 또는 질소 분위기하 등에서 행할 수 있다.In addition, it is preferable to heat the
이 가열 처리에 의하여, n형의 도전성을 부여하는 불순물인 수소를 산화물 반도체로부터 제거할 수 있다. 예를 들어, 탈수화 또는 탈수소화 처리 후의 산화물 반도체층(403)에 포함되는 수소 농도를, 5×1019/cm3 이하, 바람직하게는 5×1018/cm3 이하로 할 수 있다.By this heat treatment, hydrogen, which is an impurity imparting n-type conductivity, can be removed from the oxide semiconductor. For example, the concentration of hydrogen contained in the
또한, 탈수화 또는 탈수소화를 위한 가열 처리는, 산화물 반도체층을 형성한 후이면 트랜지스터(422)의 제작 공정에 있어서 어느 타이밍으로 행하여도 좋다. 또한, 탈수화 또는 탈수소화를 위한 가열 처리는, 복수 횟수 행하여도 좋고, 다른 가열 처리와 겸하여도 좋다.In addition, the heat treatment for dehydration or dehydrogenation may be performed at any timing in the manufacturing process of the
또한, 하지 절연층(436)으로서 산소를 함유한 하지 절연층(436)을 형성하는 경우에는, 탈수화 또는 탈수소화를 위한 가열 처리를 산화물 반도체층을 섬 형상으로 가공하기 전에 행하면, 하지 절연층(436)에 포함되는 산소가 가열 처리에 기인하여 막 외부로 방출되는 것을 방지할 수 있기 때문에 바람직하다.In the case of forming the underlying insulating
가열 처리에 있어서는, 질소, 또는 헬륨, 네온 또는 아르곤 등의 희가스에 물, 수소 등이 함유되지 않는 것이 바람직하다. 또는, 가열 처리 장치에 도입하는 질소, 또는 헬륨, 네온, 아르곤 등의 희가스의 순도를 6N(99.9999%) 이상, 바람직하게는 7N(99.99999%) 이상(즉 불순물 농도가 1ppm 이하, 바람직하게는 0.1ppm 이하)으로 하는 것이 바람직하다.In the heat treatment, it is preferable that no water, hydrogen, or the like is contained in nitrogen or a rare gas such as helium, neon, or argon. Alternatively, the purity of nitrogen or rare gases such as helium, neon, and argon introduced into the heat treatment device is 6N (99.9999%) or more, preferably 7N (99.99999%) or more (that is, the impurity concentration is 1 ppm or less, preferably 0.1 ppm or less) is preferable.
또한, 가열 처리로 산화물 반도체층(403)을 가열한 후, 가열 온도를 유지한 채 또는 그 가열 온도에서 서서히 냉각하면서 동일한 노에 고순도 산소 가스, 고순도 일산화 이질소 가스, 또는 초건조 공기(CRDS(캐비티 링다운 레이저 분광법) 방식의 노점 측정기를 사용하여 측정한 경우의 수분량이 20ppm(노점 환산으로 -55℃) 이하, 바람직하게는 1ppm 이하, 더 바람직하게는 10ppb 이하의 공기)를 도입하여도 좋다. 산소 가스 또는 일산화 이질소 가스에, 물, 수소 등이 포함되지 않는 것이 바람직하다. 또는, 가열 처리 장치에 도입하는 산소 가스 또는 일산화 이질소 가스의 순도를 6N 이상, 바람직하게는 7N 이상(즉, 산소 가스 또는 일산화 이질소 가스 중의 불순물 농도가 1ppm 이하, 바람직하게는 0.1ppm 이하)으로 하는 것이 바람직하다. 산소 가스 또는 일산화 이질소 가스의 작용에 의하여, 탈수화 또는 탈수소화 처리에 의한 불순물의 배제 공정으로 동시에 감소된 산화물 반도체를 구성하는 주성분 재료인 산소를 공급함으로써, 산화물 반도체층(403)을 고순도화 및 i형(진성)화할 수 있다.In addition, after heating the
또한, 탈수화 또는 탈수소화 처리를 행한 산화물 반도체층에 산소(적어도 산소 라디칼, 산소 원자, 및 산소 이온 중 어느 것을 포함함)를 도입하여 막 내에 산소를 공급하여도 좋다.In addition, oxygen (including at least any of oxygen radicals, oxygen atoms, and oxygen ions) may be introduced into the oxide semiconductor layer subjected to dehydration or dehydrogenation treatment to supply oxygen into the film.
탈수화 또는 탈수소화 처리한 산화물 반도체층에 산소를 도입하여 막 내에 산소를 공급함으로써, 산화물 반도체층을 고순도화 및 i형(진성)화할 수 있다. 고순도화되고, i형(진성)화된 산화물 반도체층을 갖는 트랜지스터는, 전기 특성의 변동이 억제되어 전기적으로 안정적이다.By introducing oxygen into the oxide semiconductor layer subjected to dehydration or dehydrogenation and supplying oxygen into the film, the oxide semiconductor layer can be highly purified and i-type (intrinsic). A transistor having a highly purified and i-type (intrinsic) oxide semiconductor layer is electrically stable because fluctuations in electrical characteristics are suppressed.
산소를 도입하는 공정에 있어서는, 산화물 반도체층에 산소를 도입하는 경우에는, 산화물 반도체층에 직접 도입하여도 좋고, 나중에 형성될 게이트 절연층(402)이나 절연층(406) 등의 다른 막을 통과하여 산화물 반도체층(403)에 산소를 도입하여도 좋다. 산소를 다른 막을 통과하여 도입하는 경우에는, 이온 주입법, 이온 도핑법, 플라즈마 잠입 이온 주입법 등을 사용하면 좋지만, 노출된 산화물 반도체층(403)에 산소를 직접 도입하는 경우에는, 상기 방법에 추가하여 플라즈마 처리 등도 사용할 수 있다.In the process of introducing oxygen, when oxygen is introduced into the oxide semiconductor layer, it may be directly introduced into the oxide semiconductor layer, or it passes through another film such as the
산화물 반도체층에 대한 산소의 도입은 산화물 반도체층을 형성한 후이면, 그 타이밍은 특별히 한정되지 않는다. 또한, 산화물 반도체층에 대한 산소의 도입은 복수 횟수 행하여도 좋다.The timing of introduction of oxygen into the oxide semiconductor layer is not particularly limited as long as it is after the oxide semiconductor layer is formed. In addition, oxygen may be introduced into the oxide semiconductor layer a plurality of times.
다음에, 산화물 반도체층(403) 위에 소스 전극층 및 드레인 전극층(이것과 같은 층으로 형성되는 배선을 포함함)이 되는 도전막(405)을 형성한다(도 3b 참조).Next, a
도전막(405)의 재료로서는, 가열 처리에 견딜 수 있는 재료를 사용한다. 예를 들어, Al, Cr, Cu, Ta, Ti, Mo, W 중에서 선택된 원소를 포함한 금속막, 또는 상술한 원소를 성분으로 하는 금속 질화물막(질화 티타늄막, 질화 몰리브덴막, 질화 텅스텐막) 등을 사용할 수 있다. 또한, Al, Cu 등의 금속막의 하측 또는 상측 중 한쪽 또는 양쪽 모두에 Ti, Mo, W 등의 고융점 금속막 또는 이들의 금속 질화물막(질화 티타늄막, 질화 몰리브덴막, 질화 텅스텐막)을 적층한 구성으로 하여도 좋다. 또는, 도전성 금속 산화물을 사용하여 도전막(405)을 형성하여도 좋다. 도전성 금속 산화물로서는 산화 인듐(In2O3), 산화 주석(SnO2), 산화 아연(ZnO), 산화 인듐 산화 주석(In2O3-SnO2, ITO라고 약기함), 산화 인듐 산화 아연(In2O3-ZnO) 또는 이들 금속 산화물 재료에 산화 실리콘을 포함시킨 것을 사용할 수 있다.As the material of the
다음에, 도전막(405)에 연마(절삭, 연삭) 처리를 행하여, 산화물 반도체층(403)이 노출되도록 도전막(405)의 일부를 제거한다. 상기 연마 처리에 의하여, 산화물 반도체층(403)과 중첩되는 영역의 도전막(405)이 제거되어, 상기 영역에 개구를 갖는 도전막이 형성된다. 연마(절삭, 연삭) 방법으로서는 화학적 기계 연마(Chemical Mechanical Polishing: CMP) 처리를 적합하게 사용할 수 있다. 본 실시형태에서는, CMP 처리에 의하여 산화물 반도체층(403)과 중첩되는 영역의 도전막(405)을 제거한다.Next, a polishing (cutting, grinding) treatment is performed on the
또한, CMP 처리는 1번만 행하여도 좋고, 복수 횟수 행하여도 좋다. 복수 횟수로 나누어서 CMP 처리를 행하는 경우에는 높은 연마 레이트의 1차 연마를 행한 후, 낮은 연마 레이트의 마무리 연마를 행하는 것이 바람직하다. 이와 같이 연마 레이트가 상이한 연마를 조합함으로써, 도전막(405) 및 산화물 반도체층(403)의 표면의 평탄성을 더 향상시킬 수 있다.Further, the CMP treatment may be performed only once or may be performed a plurality of times. When performing the CMP treatment by dividing into a plurality of times, it is preferable to perform primary polishing at a high polishing rate and then finish polishing at a low polishing rate. By combining polishing with different polishing rates in this way, the flatness of the surfaces of the
또한, 본 실시형태에서는, 산화물 반도체층(403)과 중첩되는 영역의 도전막(405)을 제거하기 위하여 CMP 처리를 사용하였지만, 다른 연마(연삭, 절삭) 처리를 사용하여도 좋다. 또는, CMP 처리 등의 연마 처리와, 에칭(드라이 에칭, 웨트 에칭) 처리나 플라즈마 처리 등을 조합하여도 좋다. 예를 들어, CMP 처리 후에 드라이 에칭 처리나 플라즈마 처리(역 스퍼터링 등)를 행하여, 처리 표면의 평탄성의 향상을 도모하여도 좋다. 연마 처리로서 에칭 처리나 플라즈마 처리 등을 조합하여 행하는 경우에는, 공정 순서는 특별히 한정되지 않고, 도전막(405)의 재료, 막 두께, 및 표면의 요철 상태에 따라 적절히 설정하면 좋다.In the present embodiment, the CMP treatment is used to remove the
다음에, 산화물 반도체층(403)이 노출되며 개구를 갖는 도전막(405)을, 포토리소그래피 공정에 의하여 제작한 마스크를 사용한 선택적인 에칭 처리를 행하여, 소스 전극층(405a) 및 드레인 전극층(405b)(이것과 같은 층으로 형성되는 배선도 포함함)을 형성한다(도 3c 참조).Next, the
또한, 본 실시형태에서는 도전막(405)을 형성하고, 연마 처리에 의하여 산화물 반도체층(403)과 중첩되는 영역의 도전막(405)을 제거한 후에, 선택적으로 에칭 처리하여 소스 전극층(405a) 및 드레인 전극층(405b)으로 가공하는 방법을 도시하였지만, 본 발명의 실시형태는 이것에 한정되지 않는다. 형성 후의 도전막(405)을 선택적으로 에칭 처리한 후, 연마 처리에 의하여 산화물 반도체층(403)과 중첩되는 영역의 도전막(405)을 제거하여 소스 전극층(405a) 및 드레인 전극층(405b)을 형성하여도 좋다.In addition, in this embodiment, after the
본 실시형태에서 기재하는 트랜지스터의 제작 방법에서는, 소스 전극층(405a) 및 드레인 전극층(405b)을 형성할 때, 산화물 반도체층(403)과 중첩되는 영역의 도전막(405)을 제거하는 공정에 있어서, 레지스트 마스크를 사용한 에칭 처리를 행하지 않기 때문에, 산화물 반도체층(403)의 길이가 미세화되는 경우에도 정밀한 가공을 정확하게 행할 수 있다. 따라서, 반도체 장치의 제작 공정에서, 형상이나 특성의 편차가 적은 미세한 구조를 갖는 트랜지스터(422)를 수율 좋게 제작할 수 있다.In the method of manufacturing the transistor described in this embodiment, in the step of removing the
또한, 본 실시형태에서는, 소스 전극층(405a) 및 드레인 전극층(405b)의 상단부는 산화물 반도체층(403)의 상단부와 대략 일치한다. 다만, 소스 전극층(405a) 및 드레인 전극층(405b)의 형상은 도전막(405)의 일부를 제거하기 위한 연마 처리의 조건에 따라 상이하다. 예를 들어, 소스 전극층(405a) 및 드레인 전극층(405b)의 막 두께는, 산화물 반도체층(403)의 막 두께보다 작은 경우가 있다.In addition, in this embodiment, the upper end portions of the
다음에, 산화물 반도체층(403), 소스 전극층(405a) 및 드레인 전극층(405b) 위에 게이트 절연층(402)을 형성한다.Next, a
게이트 절연층(402)은, 1nm 이상 20nm 이하의 막 두께로, 스퍼터링법, MBE법, CVD법, 펄스 레이저 퇴적법, ALD법 등을 적절히 사용하여 형성할 수 있다. 또한, 게이트 절연층(402)은, 스퍼터링 타깃 표면에 대하여 대략 수직으로 복수의 기판 표면이 설치된 상태로 성막을 행하는 스퍼터링 장치를 사용하여 형성하여도 좋다.The
또한, 게이트 절연층(402)의 두께가 두꺼울수록 단채널 효과가 현저해지고, 임계값 전압이 마이너스측으로 변동하기 쉬운 경향이 된다. 하지만, 본 실시형태의 트랜지스터의 제작 방법에서는, 소스 전극층(405a), 드레인 전극층(405b) 및 산화물 반도체층(403)의 상면이 연마 처리에 의하여 평탄화되어 있기 때문에, 얇은 막 두께의 게이트 절연층(402)을 피복성 좋게 형성할 수 있다.Further, as the thickness of the
게이트 절연층(402)의 재료로서는, 산화 실리콘, 산화 갈륨, 산화 알루미늄, 질화 실리콘, 산화 질화 실리콘, 산화 질화 알루미늄, 또는 질화 산화 실리콘 등을 사용할 수 있다. 게이트 절연층(402)은, 산화물 반도체층(403)과 접하는 부분에서 산소를 함유하는 것이 바람직하다. 특히, 게이트 절연층(402)은, 막 내(벌크 내)에 적어도 화학량론적 조성을 넘는 양의 산소가 존재하는 것이 바람직하며, 예를 들어 게이트 절연층(402)으로서 산화 실리콘막을 사용하는 경우에는, SiO2+α(다만, α>0)로 하는 것이 바람직하다. 본 실시형태에서는 게이트 절연층(402)으로서 SiO2+α(다만, α>0)인 산화 실리콘막을 사용한다. 이 산화 실리콘막을 게이트 절연층(402)으로서 사용함으로써, 산화물 반도체층(403)에 산소를 공급할 수 있고 특성을 양호하게 할 수 있다.As the material of the
또한, 게이트 절연층(402)의 재료로서 산화 하프늄, 산화 이트륨, 하프늄실리케이트, 질소가 첨가된 하프늄실리케이트, 하프늄알루미네이트, 산화 란탄 등의 high-k 재료를 사용함으로써 게이트 누설 전류를 저감시킬 수 있다. 또한, 게이트 절연층(402)은 단층 구조로 하여도 좋고, 적층 구조로 하여도 좋다.In addition, the gate leakage current can be reduced by using a high-k material such as hafnium oxide, yttrium oxide, hafnium silicate, nitrogen-added hafnium silicate, hafnium aluminate, and lanthanum oxide as the material of the
또한, 하지 절연층(436)과 마찬가지로, 게이트 절연층(402)이 산소 과잉 영역을 가지면, 게이트 절연층(402)에 함유되는 과잉의 산소에 의하여 산화물 반도체층(403)의 산소 결손을 보전할 수 있기 때문에 바람직하다. 게이트 절연층(402)이 적층 구조인 경우에는, 적어도 산화물 반도체층(403)과 접하는 층에서 산소 과잉 영역을 갖는 것이 바람직하다. 게이트 절연층(402)에 산소 과잉 영역을 형성하기 위해서는, 예를 들어 산소 분위기하에서 게이트 절연층(402)을 형성하면 좋다. 또는, 형성 후의 게이트 절연층(402)에 산소(적어도 산소 라디칼, 산소 원자, 산소 이온 중 어느 것을 함유함)를 도입하여 산소 과잉 영역을 형성하여도 좋다. 산소의 도입 방법으로서는, 이온 주입법, 이온 도핑법, 플라즈마 잠입 이온 주입법, 플라즈마 처리 등을 사용할 수 있다.In addition, as with the underlying insulating
또한, 형성 후의 게이트 절연층(402)에 산소를 도입하는 경우에는, 상기 산소 도입 처리에 의하여 동시에 산화물 반도체층(403)에 산소를 도입하여도 좋다. 또한, 게이트 절연층(402)에 산소를 도입한 후에 가열 처리를 행하는 것이 바람직하다. 가열 처리의 온도는, 예를 들어 300℃ 이상 450℃ 이하로 할 수 있다. 또한, 상기 가열 처리는, 산화물 반도체층(403)으로부터의 탈수화 처리 또는 탈수소화 처리와 겸할 수 있다.In addition, when oxygen is introduced into the
또한, 게이트 절연층(402)에 대한 산소의 도입 처리는, 게이트 절연층(402)을 형성한 후이면 그 타이밍은 특별히 한정되지 않는다. 또한, 산소의 도입 방법을 복수 조합하여 사용할 수도 있다. 예를 들어, 게이트 절연층(402)을 형성한 후에, 이온 주입법 및 플라즈마 처리에 의하여 산소를 도입하고 가열 처리를 행하여도 좋다. 또는, 게이트 절연층(402)을 형성한 후에, 플라즈마 처리에 의하여 산소를 도입하고, 후의 공정에서 절연층(406)을 형성한 후에 이온 주입법에 의하여 산소를 다시 도입하고 가열 처리를 행하여도 좋고, 플라즈마 처리와 이온 주입 처리를 행하는 순서를 바꿔도 좋다.In addition, the timing of the oxygen introduction treatment to the
다음에, 게이트 절연층(402)을 개재하여 섬 형상의 산화물 반도체층(403) 위에 게이트 전극층(401)을 형성한다. 게이트 전극층(401)은 플라즈마 CVD법 또는 스퍼터링법 등에 의하여 형성할 수 있다. 또한, 게이트 전극층(401)에 사용되는 재료는, 몰리브덴, 티타늄, 탄탈, 텅스텐, 알루미늄, 구리, 크롬, 네오디뮴, 스칸듐으로부터 선택된 원소를 포함한 금속막, 또는 상술한 원소를 성분으로 하는 금속 질화물막(질화 티타늄막, 질화 몰리브덴막, 질화 텅스텐막) 등을 사용할 수 있다. 또한, 게이트 전극층(401)으로서 인 등의 불순물 원소를 도핑한 다결정 실리콘막으로 대표되는 반도체막, 니켈 실리사이드 등의 실리사이드막을 사용하여도 좋다. 게이트 전극층(401)은, 단층 구조로 하여도 좋고, 적층 구조로 하여도 좋다.Next, a
또한, 게이트 전극층(401)의 재료는, 인듐 주석 산화물, 산화 텅스텐을 함유한 인듐 산화물, 산화 텅스텐을 함유한 인듐 아연 산화물, 산화 티타늄을 함유한 인듐 산화물, 산화 티타늄을 함유한 인듐 주석 산화물, 인듐 아연 산화물, 산화 실리콘을 첨가한 인듐 주석 산화물 등의 도전성 재료를 적용할 수도 있다. 또한, 상기 도전성 재료와, 상기 금속 재료의 적층 구조로 할 수도 있다.In addition, the material of the
또한, 게이트 절연층(402)과 접하는 게이트 전극층(401)의 하나의 층으로서 질소를 포함한 금속 산화물, 구체적으로는 질소를 포함한 In-Ga-Zn-O막이나, 질소를 포함한 In-Sn-O막이나, 질소를 포함한 In-Ga-O막이나, 질소를 포함한 In-Zn-O막이나, 질소를 포함한 Sn-O막이나, 질소를 포함한 In-O막이나, 금속 질화막(InN, SnN 등)을 사용할 수 있다. 이들 막은 5eV(전자 볼트) 이상, 바람직하게는 5.5eV(전자 볼트) 이상의 일함수를 갖고, 게이트 전극층으로서 사용한 경우, 트랜지스터의 임계값 전압을 플러스측으로 변동시킬 수 있어, 소위 노멀리-오프의 스위칭 소자를 실현할 수 있다.In addition, as one layer of the
또한, 게이트 전극층(401)은 게이트 절연층(402) 위에 형성된 도전막(도시하지 않았음)을 마스크를 사용하여 가공함으로써 형성할 수 있다. 여기서, 가공에 사용하는 마스크는, 포토리소그래피법 등에 의하여 형성된 마스크에 슬림화 처리를 행하여, 더 미세한 패턴을 갖는 마스크로 하는 것이 바람직하다.Further, the
슬림화 처리로서는 예를 들어, 라디칼 상태의 산소(산소 라디칼) 등을 사용하는 애싱 처리를 적용할 수 있다. 다만, 슬림화 처리는 포토리소그래피법 등에 의하여 형성된 마스크를 보다 미세한 패턴으로 가공할 수 있는 처리이면 애싱 처리에 한정할 필요는 없다. 또한, 슬림화 처리에 의하여 형성되는 마스크에 의하여 트랜지스터의 채널 길이(L)가 결정되기 때문에, 상기 슬림화 처리는 제어성이 양호한 처리를 적용할 수 있다.As the slimming treatment, for example, an ashing treatment using radical oxygen (oxygen radical) or the like can be applied. However, the slimming treatment need not be limited to the ashing treatment as long as it is a treatment capable of processing a mask formed by a photolithography method or the like into a finer pattern. In addition, since the channel length L of the transistor is determined by the mask formed by the slimming treatment, the slimming treatment can be applied with a treatment having good controllability.
슬림화 처리를 행한 결과, 포토리소그래피법 등에 의하여 형성된 마스크를 노광 장치의 해상 한계 이하, 바람직하게는 1/2 이하, 더 바람직하게는 1/3 이하의 선 폭까지 미세화할 수 있다. 예를 들어, 선 폭은 30nm 이상 2000nm 이하, 바람직하게는 50nm 이상 350nm 이하로 할 수 있다. 이로써, 트랜지스터를 더 미세화할 수 있다.As a result of performing the slimming treatment, the mask formed by a photolithography method or the like can be made finer to a line width of less than or equal to the resolution limit of the exposure apparatus, preferably less than or equal to 1/2, more preferably less than or equal to 1/3. For example, the line width can be 30 nm or more and 2000 nm or less, preferably 50 nm or more and 350 nm or less. In this way, the transistor can be further refined.
다음에, 게이트 전극층(401)을 마스크로 하여 산화물 반도체층(403)에 도펀트(431)를 도입하여, 불순물 영역(403a) 및 불순물 영역(403b)을 형성한다. 도펀트(431)의 도입 처리에 의하여, 채널 형성 영역(403c)을 개재하여 한 쌍의 불순물 영역이 형성된 산화물 반도체층(403)이 형성된다(도 3d 참조).Next, a
도펀트(431)를 도입시키는 방법으로서는 이온 주입법, 이온 도핑법, 플라즈마 잠입 이온 주입법 등을 사용할 수 있다. 이 때, 도펀트(431)의 단체 이온, 또는 불화물 이온, 염화물 이온을 사용하면 바람직하다.As a method of introducing the
도펀트(431)의 도입 공정은, 가속 전압, 도즈량 등의 주입 조건, 또한 통과시키는 막의 막 두께를 적절히 설정하여 제어하면 좋다. 또한, 도펀트(431)의 도즈량은 예를 들어 1×1013ions/cm2 이상 5×1016ions/cm2 이하로 하면 좋다. 또한, 불순물 영역에 있어서의 도펀트(431)의 농도는 5×1018/cm3 이상 1×1022/cm3 이하인 것이 바람직하다.The step of introducing the
도펀트(431)를 도입할 때 기판(400)을 가열하면서 행하여도 좋다.When the
또한, 산화물 반도체층(403)에 도펀트(431)를 도입하는 처리는 여러 번 행하여도 좋고, 복수 종류의 도펀트를 사용하여도 좋다.Further, the treatment of introducing the
또한 도펀트(431)의 도입 처리 후, 가열 처리를 행하여도 좋다. 가열 조건으로서는 온도를 300℃ 이상 700℃ 이하, 바람직하게는 300℃ 이상 450℃ 이하로 하여 산소 분위기하에서 1시간 동안 행하는 것이 바람직하다. 또한, 질소 분위기하, 감압하, 대기(초건조 공기)하에서 가열 처리하여도 좋다.Further, after the
산화물 반도체층(403)을 CAAC-OS막으로 한 경우, 도펀트(431)의 도입에 의하여, 일부가 비정질화되는 경우가 있다. 이 경우에는, 도펀트(431)를 도입시킨 후에 가열 처리를 행함으로써 산화물 반도체층(403)의 결정성을 회복시킬 수 있다.When the
또한, 도 3d에서, 산화물 반도체층(403)은 테이퍼 형상을 갖기 때문에, 소스 전극층(405a) 또는 드레인 전극층(405b)과 중첩되는 영역을 단부에 포함한다. 도펀트(431)의 도입 조건에 따라서는, 상기 영역에서 도펀트(431)가 도입되기 어려운 경우가 있기 때문에, 불순물 영역(403a) 또는 불순물 영역(403b)은 막 두께 방향으로 도펀트의 농도 분포를 갖는 경우가 있다.3D, since the
다음에, 게이트 전극층(401) 및 게이트 절연층(402) 위에 도전막(415)을 형성하고, 도전막(415) 위에 절연층(416)을 형성한다(도 4a 참조).Next, a
도전막(415)은 게이트 전극층(401)과 같은 재료를 사용하여 형성할 수 있고, 스퍼터링법을 사용하여 형성하는 것이 바람직하다. 또한, 도전막(415)의 막 두께는 예를 들어 10nm 이상 50nm 이하로 하는 것이 바람직하다.The
절연층(416)은, 예를 들어 산화 실리콘, 질화 실리콘, 산화 질화 실리콘, 질화 산화 실리콘 등을 사용하여 형성할 수 있고, CVD법으로 형성하는 것이 바람직하다.The insulating
일반적으로는, 스퍼터링법은 CVD법과 비교하여 단차 피복성(스텝 커버리지)이 낮다. 따라서, 게이트 전극층(401)에 접하여 막 두께가 두꺼운 도전막을 형성하고, 상기 도전막을 이방성 에칭함으로써 자기정합적으로 게이트 전극층(401)의 측벽에 접하는 도전층을 형성하는 경우, 단차부(게이트 절연층(402)과 접하는 영역과 게이트 전극층(401)과 접하는 영역의 경계)에 밀도가 낮은 영역이 형성되는 경우가 있다. 게이트 전극층의 일부로서 기능하는 도전층이 밀도가 낮은 영역을 포함하면, 상기 영역은 누설 전류가 발생할 요인이 될 수 있다.In general, the sputtering method has lower step coverage (step coverage) compared to the CVD method. Therefore, when forming a conductive film having a thick thickness in contact with the
하지만, 본 실시형태에서는, 게이트 전극층(401)을 덮도록 막 두께가 얇은 도전막(415)을 형성한 후, 스텝 커버리지가 양호한 CVD법에 의하여 도전막(415)에 접하는 절연층(416)을 형성한다. 따라서, 막질이 양호한 도전막(415)에 의하여 게이트 전극층(401)을 덮을 수 있게 된다.However, in this embodiment, after forming the thin
또한, 본 실시형태에서, 게이트 전극층(401)은, 그 단부가 테이퍼 형상을 갖지만, 본 발명의 실시형태는 이것에 한정되지 않는다. 다만, 게이트 전극층(401)이 테이퍼 형상을 가짐으로써, 도전막(415)이 양호한 스텝 커버리지를 확보하기 쉬워지기 때문에 바람직하다.In addition, in this embodiment, the
다음에, 절연층(416)을 이방성 에칭하여, 측벽 절연층(412)을 형성한다(도 4b 참조).Next, the insulating
다음에, 측벽 절연층(412)을 마스크로 하여, 도전막(415)을 에칭함으로써, 게이트 전극층(401)의 채널 길이 방향의 측면에 접하여 도전층(411)을 형성한다(도 4c 참조).Next, by etching the
그 후, 게이트 절연층(402), 게이트 전극층(401), 측벽 절연층(412) 위에 절연층(406) 및 절연층(407)을 형성한다. 또한, 본 실시형태에서는, 게이트 절연층(402), 게이트 전극층(401), 및 측벽 절연층(412) 위에, 절연층(406) 및 절연층(407)의 적층 구조를 형성하는 예를 도시하였지만, 본 발명의 일 형태는 이것에 한정되지 않고, 단층 구조의 절연층을 형성하여도 좋다. 또는, 3층 이상의 절연층을 적층시켜도 좋다.After that, an insulating
절연층(406) 또는 절연층(407)은 플라즈마 CVD법, 스퍼터링법, 또는 증착법 등에 의하여 형성할 수 있다. 특히, 스퍼터링법과 같은, 절연층(406) 또는 절연층(407)에 물, 수소 등의 불순물을 혼입시키지 않는 방법을 적절히 사용하여 형성하는 것이 바람직하다. 절연층(406) 또는 절연층(407)으로서, 대표적으로는 산화 실리콘막, 산화 질화 실리콘막, 산화 질화 알루미늄막, 또는 산화 갈륨막 등의 무기 절연막 등을 사용할 수 있다.The insulating
또한, 절연층(406) 또는 절연층(407)으로서, 산화 알루미늄막, 산화 하프늄막, 산화 마그네슘막, 산화 지르코늄막, 산화 란탄막, 산화 바륨막, 또는 금속 질화물막(예를 들어 질화 알루미늄막)을 사용할 수도 있다.In addition, as the insulating
또한, 절연층(406) 또는 절연층(407)으로서, 산화 알루미늄막을 형성하는 것이 바람직하다. 산화 알루미늄막은, 수소, 수분 등의 불순물, 및 산소의 양쪽 모두에 대하여 막을 통과시키지 않는 차단 효과(블록 효과)가 높고, 제작 공정 중 및 제작 후에서, 트랜지스터의 동작 특성의 변동 요인이 되는 수소, 수분 등의 불순물이 산화물 반도체층(403)에 혼입되는 것, 및 산화물 반도체를 구성하는 주성분 재료인 산소가 산화물 반도체층(403)으로부터 방출되는 것을 방지하는 보호막으로서 기능하기 때문에 바람직하게 적용할 수 있다.In addition, it is preferable to form an aluminum oxide film as the insulating
산화물 반도체층(403)의 형성시와 마찬가지로, 절연층(406) 또는 절연층(407)을 형성하는 성막실 내의 잔류 수분을 제거하기 위해서는, 흡착형의 진공 펌프(크라이오 펌프 등)를 사용하는 것이 바람직하다. 크라이오 펌프를 사용하여 배기한 성막실에서 형성한 절연층(406) 또는 절연층(407)에 포함되는 불순물의 농도를 저감할 수 있다. 또한, 절연층(406) 또는 절연층(407)을 형성하는 성막실 내의 잔류 수분을 제거하기 위한 배기 수단으로서는, 터보 분자 펌프에 콜드트랩을 가한 것이라도 좋다.Similar to the formation of the
본 실시형태에서는, 절연층(406)으로서 산화 알루미늄막을 형성하고, 절연층(407)으로서 산화 실리콘막을 형성하는 것으로 한다. 또한, 산화 알루미늄막을 고밀도(막 밀도 3.2g/cm3 이상, 바람직하게는 3.6g/cm3 이상)로 함으로써, 트랜지스터(422)에 안정적인 전기 특성을 부여할 수 있다. 막 밀도는 러더퍼드 후방 산란법(RBS: Rutherford Backscattering Spectrometry)이나 X선 반사율 측정법(XRR: X-Ray Reflection)에 의하여 측정할 수 있다.In this embodiment, an aluminum oxide film is formed as the insulating
또한, 절연층(406)으로서 산화 알루미늄막을 형성하는 경우에는, 상기 산화 알루미늄막을 형성한 후에 가열 처리를 행하는 것이 바람직하다. 산화 알루미늄막은 산화물 반도체층에 물(수소를 포함함)이 침입하는 것을 방지하는 기능 및 산화물 반도체층으로부터 산소가 탈리되는 것을 방지하는 기능을 갖는다. 따라서, 산화물 반도체층(403) 및/또는 그것에 접하는 절연층이 산소 과잉 영역을 가지면, 산화 알루미늄막을 형성한 상태로 가열 처리를 행함으로써, 산화물 반도체층 막 내(벌크 내) 또는, 절연층과 산화물 반도체층의 계면에서, 적어도 하나의 산소 과잉 영역을 형성할 수 있다.Further, in the case of forming an aluminum oxide film as the insulating
다음에, 절연층(407), 절연층(406) 및 게이트 절연층(402)에 소스 전극층(405a) 또는 드레인 전극층(405b)에 도달하는 개구를 형성하고, 개구에 배선층(435a) 및 배선층(435b)을 형성한다(도 4d 참조). 배선층(435a) 및 배선층(435b)을 사용하여 다른 트랜지스터나 소자와 접속시킴으로써, 다양한 회로를 형성할 수 있다.Next, openings reaching the
배선층(435a) 및 배선층(435b)은 게이트 전극층(401), 도전층(411), 소스 전극층(405a) 또는 드레인 전극층(405b)과 같은 재료 및 방법을 사용하여 형성할 수 있고, 예를 들어 Al, Cr, Cu, Ta, Ti, Mo, W로부터 선택된 원소를 포함하는 금속막, 또는 상술한 원소를 성분으로 하는 금속 질화물막(질화 티타늄막, 질화 몰리브덴막, 질화 텅스텐막) 등을 사용할 수 있다. 또한, Al, Cu 등의 금속막의 하측 또는 상측의 한쪽 또는 양쪽 모두에 Ti, Mo, W 등의 고융점 금속막 또는 그들의 금속 질화물막(질화 티타늄막, 질화 몰리브덴막, 질화 텅스텐막)을 적층시킨 구성으로 하여도 좋다. 또한, 배선층(435a), 배선층(435b)에 사용하는 도전막으로서는, 도전성의 금속 산화물로 형성하여도 좋다. 도전성 금속 산화물로서는 산화 인듐(In2O3), 산화 주석(SnO2), 산화 아연(ZnO), 산화 인듐 산화 주석(ITO), 산화 인듐 산화 아연(In2O3-ZnO), 또는 이들 금속 산화물 재료에 산화 실리콘을 함유시킨 것을 사용할 수 있다.The
예를 들어, 배선층(435a) 및 배선층(435b)으로서 몰리브덴막의 단층, 질화 탄탈막과 구리막이 적층된 것, 또는 질화 탄탈막과 텅스텐막이 적층된 것 등을 사용할 수 있다.For example, a single layer of a molybdenum film, a laminate of a tantalum nitride film and a copper film, or a laminate of a tantalum nitride film and a tungsten film may be used as the
상술한 공정에 의하여 본 실시형태의 트랜지스터(422)가 형성된다.The
본 실시형태에서 기재하는 트랜지스터는, 한 쌍의 불순물 영역 및 채널 형성 영역을 포함한 산화물 반도체층(403)과, 불순물 영역에서 산화물 반도체층(403)의 채널 길이 방향의 측면과 접하는 소스 전극층(405a) 및 드레인 전극층(405b)을 갖는다. 이로써, 산화물 반도체층(403)과 소스 전극층(405a) 또는 드레엔 전극층(405b)의 콘택트 저항을 저감할 수 있고 온 특성(예를 들어 온 전류 및 전계 효과 이동도)이 높아, 고속 동작, 고속 응답이 가능한 트랜지스터로 할 수 있다.The transistor described in this embodiment includes an
또한, 게이트 전극층(401)을 마스크로 하여 도펀트를 도입함으로써, 섬 형상의 산화물 반도체층(403)의 채널 길이 방향의 길이를, 게이트 전극층(401)의 얼라인먼트 정밀도를 유지할 정도로 유지한 채로 채널 형성 영역(403c)의 길이를 축소할 수 있다. 따라서, 미세화된 트랜지스터(422)를 수율 좋게 제작할 수 있다.In addition, by introducing a dopant using the
또한, 소스 전극층(405a) 및 드레인 전극층(405b)과 중첩되는 영역의 산화물 반도체층(413)을 제거하는 공정에 있어서, 레지스트 마스크를 사용한 에칭 처리를 사용하지 않기 때문에, 소스 전극층(405a) 및 드레인 전극층(405b)의 간격이 미세화되어 있는 경우에도 정밀한 가공을 정확하게 할 수 있다. 따라서, 반도체 장치의 제작 공정에서, 형상이나 특성의 편차가 적은 미세한 구조를 갖는 트랜지스터를 수율 좋게 제작할 수 있다.In addition, in the step of removing the
또한, 본 실시형태의 반도체 장치는, 게이트 전극층(401)의 측면에 도전층(411)을 형성한다. 이로써, 상기 도전층(411)이 게이트 절연층(402)을 개재하여 소스 전극층(405a) 및 드레인 전극층(405b)과 중첩되기 때문에, Lov 영역을 갖는 트랜지스터로 할 수 있어, 트랜지스터의 온 전류의 저하를 억제할 수 있게 된다.Further, in the semiconductor device of this embodiment, a
또한, 도전층(411)은 제작 공정에서, 도전막(415)을 개재하여 게이트 전극층(401) 위에 형성된 절연층(416)을 이방성 에칭에 의하여 자기정합적으로 측벽 절연층(412)으로 가공한 후, 상기 측벽 절연층(412)을 마스크로 하여 도전막(415)을 에칭함으로써 형성되고, 레지스트 마스크를 사용한 에칭 공정을 사용하지 않기 때문에, 정밀한 가공을 정확하게 행할 수 있다. 따라서, 반도체 장치의 제작 공정에서, 형상이나 특성의 편차가 적은 미세한 구조를 갖는 트랜지스터를 수율 좋게 제작할 수 있다.In addition, in the manufacturing process, the
이와 같이, 기재하는 발명의 일 형태에서는, 미세화에 따른 문제점을 해소할 수 있기 때문에, 결과적으로, 트랜지스터 사이즈를 충분히 작게 할 수 있다. 트랜지스터 사이즈를 충분히 작게 함으로써, 반도체 장치가 차지하는 면적이 작아져, 반도체 장치의 취득 개수가 증대된다. 따라서, 반도체 장치당 제조 비용이 억제된다. 또한, 채널 길이가 축소되기 때문에, 동작의 고속화, 저소비 전력화 등의 효과도 얻을 수 있다. 즉, 기재하는 발명의 일 형태에 의하여 산화물 반도체를 사용한 트랜지스터의 미세화가 달성됨으로써, 이것에 부수되는 다양한 효과를 얻을 수 있다.As described above, in one embodiment of the disclosed invention, the problem associated with miniaturization can be solved, and as a result, the transistor size can be sufficiently reduced. By making the transistor size sufficiently small, the area occupied by the semiconductor device is reduced, and the number of acquisitions of the semiconductor device is increased. Therefore, the manufacturing cost per semiconductor device is suppressed. In addition, since the channel length is reduced, effects such as high-speed operation and low power consumption can be obtained. That is, by achieving miniaturization of a transistor using an oxide semiconductor according to one embodiment of the disclosed invention, various effects accompanying this can be obtained.
이상, 본 실시형태에서 기재한 구성이나 방법 등은 다른 실시형태에서 기재하는 구성이나 방법 등과 적절히 조합하여 사용할 수 있다.As described above, the configurations and methods described in this embodiment can be used in appropriate combination with the configurations and methods described in other embodiments.
(실시형태 2)(Embodiment 2)
본 실시형태에서는, 본 발명의 일 형태에 따른, 실시형태 1과 상이한 반도체 장치의 구성 및 그 제작 방법에 대하여 도 5a 내지 도 7c를 참조하여 설명한다. 또한, 상기 실시형태와 동일 부분 및 같은 기능을 갖는 부분 및 공정은, 상기 실시형태와 마찬가지로 행할 수 있어, 반복 설명은 생략한다. 또한, 같은 개소의 자세한 설명은 생략한다.In this embodiment, a configuration of a semiconductor device different from that of the first embodiment and a method of manufacturing the same according to one embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 5A to 7C. In addition, the same parts as the above-described embodiment and parts and steps having the same functions can be performed in the same manner as in the above-described embodiment, and repetitive description is omitted. In addition, detailed description of the same location is omitted.
도 5a 및 도 5b에 반도체 장치의 예로서 트랜지스터(424)의 평면도 및 단면도를 도시하였다. 도 5a는 트랜지스터(424)의 평면도이고, 도 5b는 도 5a의 X3-Y3에서의 단면도이다. 또한, 도 5a에서는 번잡해지는 것을 피하기 위하여, 트랜지스터(424)의 구성 요소의 일부(예를 들어 절연층(407) 등)를 생략하여 도시하였다.5A and 5B are plan views and cross-sectional views of a
도 5a 및 도 5b에 도시한 트랜지스터(424)는 도 1a 및 도 1b에 도시한 트랜지스터(420)와 마찬가지로, 절연 표면을 갖는 기판(400) 위에 하지 절연층(436)과, 소스 전극층(405a) 및 드레인 전극층(405b)과, 불순물 영역(403a), 불순물 영역(403b) 및 채널 형성 영역(403c)을 포함한 산화물 반도체층(403)과, 산화물 반도체층(403), 소스 전극층(405a) 및 드레인 전극층(405b)의 상면과 접하는 게이트 절연층(402)과, 게이트 절연층(402)을 개재하여 채널 형성 영역(403c)과 중첩되는 게이트 전극층(401)과, 게이트 전극층(401)의 측면에 접하는 도전층(411)과, 게이트 전극층(401)과 대향하는 도전층(411)의 측면에 형성된 측벽 절연층(412)을 포함하여 구성된다.The
도 5a 및 도 5b에 도시한 트랜지스터(424)에 포함된 소스 전극층(405a) 및 드레인 전극층(405b)은, 산화물 반도체층(403)과 접하는 측면에서 테이퍼 형상을 갖는 점에서 실시형태 1에 도시한 트랜지스터와 상이하다. 트랜지스터(424)에서, 소스 전극층(405a) 및 드레인 전극층(405b)의 테이퍼각은 예를 들어 20° 이상 50° 이하로 할 수 있다.The
소스 전극층(405a) 및 드레인 전극층(405b)의 측면을 테이퍼 형상으로 함으로써, 소스 전극층(405a) 및 드레인 전극층(405b)의 간격에 산화물 반도체층(403)이 되는 산화물 반도체층을 피복성 좋게 형성할 수 있다. 또한, 산화물 반도체층(403)과 소스 전극층(405a) 및 드레인 전극층(405b)의 접촉 면적을 확대시킬 수 있기 때문에, 콘택트 저항을 저감시킬 수 있다.By making the side surfaces of the
또한, 소스 전극층(405a) 및 드레인 전극층(405b)이 테이퍼 형상을 가짐으로써, 소스 전극층(405a) 및 드레인 전극층(405b)과 접하여 형성되는 산화물 반도체층(403)은 채널 길이 방향의 측면에서 역 테이퍼 형상을 갖는 구성이 된다. 여기서, 산화물 반도체층(403)이 결정성을 갖는 산화물 반도체인 경우에는, 산화물 반도체층(403)이 테이퍼 형상을 가짐으로써 산화물 반도체층(403)의 측면으로부터 산소가 탈리됨에 기인한 산소 결손의 발생을 억제하여, 트랜지스터(424)의 누설 전류를 저감할 수 있다.In addition, since the
또한, 산화물 반도체층(403)이 역 테이퍼 형상을 가짐으로써, 게이트 절연층(402)과 접하는 산화물 반도체층(403)의 상면의 채널 길이 방향의 길이를 확대할 수 있다. 따라서, 게이트 절연층(402)을 개재하여 산화물 반도체층(403) 위에 게이트 전극층(401)을 형성할 때의 얼라인먼트의 자유도를 향상시킬 수 있다. 또한, 소스 전극층(405a)과 드레인 전극층(405b)의 전계를 효과적으로 완화시킬 수 있다.Further, since the
이하에서는, 도 6a 내지 도 6d를 사용하여 본 실시형태의 트랜지스터(424)의 제작 공정의 예에 대하여 설명한다.Hereinafter, an example of the manufacturing process of the
우선, 절연 표면을 갖는 기판(400) 위에 하지 절연층(436)을 형성하고, 하지 절연층(436) 위에 소스 전극층 및 드레인 전극층(이것과 같은 층으로 형성되는 배선을 포함함)이 되는 도전막을 형성한 후, 이것을 가공하여 소스 전극층(405a) 및 드레인 전극층(405b)을 형성한다(도 6a 참조).First, a
다음에, 소스 전극층(405a) 및 드레인 전극층(405b)을 덮으며, 하지 절연층(436)과 접하는 산화물 반도체층(413)을 형성한다(도 6b 참조). 산화물 반도체층(413)은 실시형태 1에서 기재한 산화물 반도체층의 성막 방법과 마찬가지로 형성할 수 있다.Next, an
다음에, 산화물 반도체층(413)에 연마(절삭, 연삭) 처리를 행하여, 소스 전극층(405a) 및 드레인 전극층(405b)이 노출되도록 산화물 반도체층(413)의 일부를 제거한다. 상기 연마 처리에 의하여, 소스 전극층(405a) 및 드레인 전극층(405b)과 중첩되는 영역의 산화물 반도체층(413)이 제거되어 상기 영역에 개구가 형성된다. 연마 방법으로서는, CMP 처리를 적합하게 사용할 수 있다. 본 실시형태에서는, CMP 처리에 의하여 소스 전극층(405a) 및 드레인 전극층(405b)과 중첩되는 영역의 산화물 반도체층(413)을 제거한다. 또한, CMP 처리는 한 번만 행하여도 좋고, 복수 횟수 행하여도 좋다.Next, a polishing (cutting, grinding) treatment is performed on the
또한, 본 실시형태에서는, 소스 전극층(405a) 및 드레인 전극층(405b)과 중첩되는 영역의 산화물 반도체층(413)의 제거 방법으로서 CMP 처리를 사용하였지만, 다른 연마 처리를 사용하여도 좋다. 또는, CMP 처리 등의 연마 처리와, 에칭(드라이 에칭, 웨트 에칭) 처리나 플라즈마 처리 등을 조합하여도 좋다.In this embodiment, although the CMP treatment is used as a method of removing the
다음에, 소스 전극층(405a) 및 드레인 전극층(405b)과 중첩되는 영역이 제거된 산화물 반도체층(413)을 포토리소그래피 공정에 의하여 제작한 마스크를 사용하여 채널 폭 방향을 선택적으로 에칭함으로써, 소스 전극층(405a) 및 드레인 전극층(405b) 사이의 영역에 섬 형상의 산화물 반도체층(403)을 형성한다(도 6c 참조).Next, by selectively etching the channel width direction of the
또한, 본 실시형태에서는, 산화물 반도체층(413)을 형성하고, 연마 처리에 의하여 소스 전극층(405a) 및 드레인 전극층(405b)과 중첩하는 영역의 산화물 반도체층(413)을 제거한 후, 선택적으로 에칭 처리하여 섬 형상의 산화물 반도체층(403)으로 가공하는 방법을 제시하였지만, 본 발명의 실시형태는 이것에 한정되지 않는다. 형성 후의 산화물 반도체층(413)을 선택적으로 에칭 처리하여 채널 폭 방향으로 가공한 후, 연마 처리에 의하여 소스 전극층(405a) 및 드레인 전극층(405b)과 중첩되는 영역의 산화물 반도체층(413)을 제거하여 채널 길이 방향으로 가공함으로써, 섬 형상의 산화물 반도체층(403)을 형성하여도 좋다.In addition, in this embodiment, the
또한, 본 실시형태에서는, 소스 전극층(405a) 및 드레인 전극층(405b)의 상단부는 산화물 반도체층(403)의 상단부와 대략 일치한다. 다만, 산화물 반도체층(403)의 형상은 산화물 반도체층(413)의 연마 처리의 조건에 따라 상이한 경우가 있고, 예를 들어 산화물 반도체층(403)의 상단부가 소스 전극층(405a) 또는 드레인 전극층(405b)의 채널 길이 방향의 측면에 접하는 경우도 있다.In addition, in this embodiment, the upper end portions of the
섬 형상의 산화물 반도체층(403)을 형성한 후, 실시형태 1의 도 3d 내지 도 4d에서 도시한 공정과 마찬가지로 게이트 절연층(402), 게이트 전극층(401), 도전층(411), 측벽 절연층(412), 절연층(406), 절연층(407), 배선층(435a) 및 배선층(435b)을 형성한다. 상기에 의하여, 본 실시형태의 트랜지스터(424)가 형성된다(도 6d 참조).After forming the island-shaped
본 실시형태에서 기재한 트랜지스터의 제작 방법에서는, 섬 형상의 산화물 반도체층(403)을 형성할 때, 소스 전극층(405a) 및 드레인 전극층(405b)과 중첩되는 영역의 산화물 반도체층(413)을 제거하는 공정에 있어서, 채널 길이 방향의 가공에 레지스트 마스크를 사용한 에칭 처리를 사용하지 않기 때문에, 소스 전극층(405a) 및 드레인 전극층(405b)의 채널 길이 방향의 길이가 미세화된 경우에도, 정밀한 가공을 정확하게 행할 수 있다. 따라서, 반도체 장치의 제작 공정에 있어서, 형상이나 특성의 편차가 적은 미세한 구조를 갖는 트랜지스터(424)를 수율 좋게 제작할 수 있다.In the method of fabricating the transistor described in this embodiment, when forming the island-shaped
또한, 상술한 트랜지스터(420), 트랜지스터(422), 및 트랜지스터(424)에서는, 측벽 절연층(412)이 도전층(411)의 상면의 일부와 접하는 경우를 예시하였지만, 본 발명의 실시형태는 이것에 한정되지 않는다. 측벽 절연층(412)의 크기(채널 길이 방향의 길이, 또는 측벽 절연층의 막 두께)는, 절연층(416)의 에칭 처리를 제어함으로써 적절히 설정할 수 있다.In addition, in the above-described
예를 들어, 도 7a에 도시한 트랜지스터(426)와 같이, 측벽 절연층(412)의 높이(기판(400) 표면에서 측벽 절연층(412)의 최상면(最上面)까지의 거리)와 도전층(411)의 높이(기판(400) 표면에서 도전층(411)의 최상면까지의 거리)가 일치되는 구성으로 하여도 좋다. 또는, 도 7b에 도시한 트랜지스터(428)와 같이, 측벽 절연층(412)의 높이(기판(400) 표면에서 측벽 절연층(412)의 최상면까지의 거리)가 도전층(411)의 높이(기판(400) 표면에서 도전층(411)의 최상면까지의 거리)보다 낮은 형상이라도 좋다. 트랜지스터(428)에 있어서, 측벽 절연층(412)의 상단부는 도전층(411)의 측면에 접한다. 또한, 도 7a 및 도 7b에 도시한 트랜지스터(426) 및 트랜지스터(428)에 있어서, 측벽 절연층(412)의 크기 이외는 도 1a 및 도 1b에 도시한 트랜지스터(420)와 같은 구성으로 할 수 있다.For example, as in the
또한, 게이트 전극층(401)을 패턴 형성할 때, 및/또는 측벽 절연층(412)을 마스크로 하여 도전막(415)을 에칭할 때, 에칭 처리 조건에 따라서는, 게이트 절연층(402)의 일부가 에칭되는 경우도 있다.Further, when patterning the
예를 들어, 도 7c에 도시한 트랜지스터(430)는, 게이트 전극층(401)을 형성하기 위한 에칭 처리와, 도전층(411)을 형성하기 위한 에칭 처리 각각에 의하여, 게이트 절연층(402)의 막 두께가 감소된 예이고, 트랜지스터(430)에서 게이트 전극층(401)과 중첩되는 영역의 게이트 절연층(402)의 막 두께는, 도전층(411)과 중첩되는 영역의 막 두께보다 두껍다. 또한, 도전층(411)과 중첩되는 영역의 게이트 절연층(402)의 막 두께는, 도전층(411)과 중첩되지 않으며 또 게이트 전극층(401)과 중첩되지 않는 영역의 막 두께보다 두껍다.For example, in the
또한, 본 실시형태는 이것에 한정되지 않고, 예를 들어 게이트 전극층(401)을 형성하기 위한 에칭 처리에 의하여 게이트 절연층(402)의 일부의 영역(게이트 전극층(401)과 중첩되지 않는 영역)의 막 두께가 감소되고, 도전층(411)을 형성하기 위한 에칭 처리에 의하여는, 게이트 절연층(402)의 막 두께의 감소가 일어나지 않는 경우도 있다.In addition, the present embodiment is not limited to this, for example, a partial region of the
본 실시형태에서 기재한 트랜지스터는, 게이트 전극층(401)을 마스크로 하여 자기정합적으로 산화물 반도체층(403)에 불순물 영역을 형성한 후, 상기 게이트 전극층(401)의 측면에 접하며, 채널 길이 방향에서 소스 전극층(405a) 및 드레인 전극층(405b)과 중첩되는 도전층(411)을 형성한다. 이로써, 미세한 채널 길이를 유지하면서 Lov 영역을 형성할 수 있어, 온 전류의 저하가 억제된 미세한 구조의 트랜지스터를 제공할 수 있다.In the transistor described in this embodiment, after forming an impurity region in the
또한, 게이트 전극층(401)의 일부로서 기능하는 도전층(411)은, 도전막(415)을 개재하여 게이트 전극층(401) 위에 형성된 절연층(416)을 자기정합적으로 측벽 절연층(412)으로 가공한 후, 상기 측벽 절연층을 마스크로 하여 도전막(415)을 에칭함으로써 형성되고, 레지스트 마스크를 사용한 에칭 공정을 사용하지 않기 때문에 정밀한 가공을 정확하게 행할 수 있다. 따라서, 반도체 장치의 제작 공정에서, 형상이나 특성의 편차가 적은 미세한 구조를 갖는 트랜지스터를 수율 좋게 제작할 수 있다.In addition, the
이상, 본 실시형태에서 기재한 구성이나 방법 등은 다른 실시형태에서 기재하는 구성이나 방법 등과 적절히 조합하여 사용할 수 있다.As described above, the configurations and methods described in this embodiment can be used in appropriate combination with the configurations and methods described in other embodiments.
(실시형태 3)(Embodiment 3)
본 실시형태에서는 본 명세서에 기재된 트랜지스터가 사용되고 있고, 전력이 공급되지 않는 상태라도 기억 내용을 유지할 수 있고, 또 기록 횟수의 제한도 없는 반도체 장치의 일례를 도면을 사용하여 설명한다.In the present embodiment, an example of a semiconductor device in which the transistor described in the present specification is used and the memory contents can be maintained even in a state where no power is supplied, and the number of writes is not limited will be described with reference to the drawings.
도 8a 내지 도 8c는 반도체 장치의 구성의 일례이다. 도 8a는 반도체 장치의 단면도, 도 8b는 반도체 장치의 평면도, 도 8c는 반도체 장치의 회로도를 각각 도시한 것이다. 여기서, 도 8a는 도 8b의 C1-C2 및 D1-D2에서의 단면에 상당한다.8A to 8C are examples of the configuration of a semiconductor device. 8A is a cross-sectional view of the semiconductor device, FIG. 8B is a plan view of the semiconductor device, and FIG. 8C is a circuit diagram of the semiconductor device. Here, FIG. 8A corresponds to the cross section at C1-C2 and D1-D2 in FIG. 8B.
도 8a 및 도 8b에 도시한 반도체 장치는 하부에 제 1 반도체 재료를 사용한 트랜지스터(160)를 갖고, 상부에 제 2 반도체 재료를 사용한 트랜지스터(162)를 갖는다. 트랜지스터(162)로서는, 실시형태 1 또는 실시형태 2에서 기재한 본 발명의 일 형태의 트랜지스터를 적용할 수 있다. 본 실시형태에서는, 트랜지스터(162)로서, 실시형태 1에서 기재한 트랜지스터(420)의 구조를 적용하는 예를 기재한다.The semiconductor device shown in Figs. 8A and 8B has a
여기서, 제 1 반도체 재료와 제 2 반도체 재료는 서로 다른 밴드 갭을 갖는 재료로 하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 제 1 반도체 재료를 산화물 반도체 이외의 반도체 재료(실리콘 등)로 하고, 제 2 반도체 재료를 산화물 반도체로 할 수 있다. 산화물 반도체 이외의 재료를 사용한 트랜지스터는 고속 동작이 용이하다. 한편, 산화물 반도체를 사용한 트랜지스터는 그 특성에 의하여 장시간에 걸쳐 전하를 유지하게 할 수 있다.Here, it is preferable that the first semiconductor material and the second semiconductor material be made of materials having different band gaps. For example, the first semiconductor material can be a semiconductor material other than an oxide semiconductor (silicon or the like), and the second semiconductor material can be an oxide semiconductor. Transistors using materials other than oxide semiconductors are easy to operate at high speed. On the other hand, a transistor using an oxide semiconductor can maintain charge over a long period of time due to its characteristics.
또한, 상기 트랜지스터의 양쪽 모두는 n채널형 트랜지스터로서 설명하지만, p채널형 트랜지스터를 사용할 수 있는 것은 물론이다. 또한, 정보를 유지하기 위하여 산화물 반도체를 사용한 실시형태 1 또는 실시형태 2에서 기재한 바와 같은 트랜지스터를 트랜지스터(162)로서 사용하는 경우 이외에도, 반도체 장치에 사용되는 재료나 반도체 장치의 구조 등, 반도체 장치의 구체적인 구성을 여기서 기재하는 것에 한정할 필요는 없다.Incidentally, both of the transistors are described as n-channel transistors, but it goes without saying that a p-channel transistor can be used. In addition, in addition to the case of using as the transistor 162 a transistor as described in
도 8a에 도시한 트랜지스터(160)는 반도체 재료(예를 들어, 실리콘 등)를 포함한 기판(100)에 제공된 채널 형성 영역(116)과, 채널 형성 영역(116)을 끼우도록 제공된 불순물 영역(120)과, 불순물 영역(120)에 접하는 금속간 화합물 영역(124)과, 채널 형성 영역(116) 위에 제공된 게이트 절연층(108)과, 게이트 절연층(108) 위에 제공된 게이트 전극층(110)을 갖는다. 또한, 도면에 소스 전극층이나 드레인 전극층을 명확히 도시하지 않은 경우가 있지만, 편의상 이러한 상태를 포함하여 트랜지스터라고 부르는 경우가 있다. 또한, 이 경우, 트랜지스터의 접속 관계를 설명하기 위하여, 소스 영역이나 드레인 영역을 포함하여 소스 전극층이나 드레인 전극층이라고 표현하는 경우가 있다. 즉, 본 명세서에서 소스 전극층이라는 기재에는, 소스 영역이 포함될 수 있다.The
기판(100) 위에는 트랜지스터(160)를 둘러싸도록 소자 분리 절연층(106)이 형성되고, 트랜지스터(160)를 덮도록 절연층(128) 및 절연층(130)이 형성된다. 또한, 트랜지스터(160)에서, 게이트 전극층(110)의 측면에 측벽 절연층(사이드월 절연층)을 제공하고, 불순물 농도가 상이한 영역들을 포함한 불순물 영역(120)으로 하여도 좋다.A device
단결정 반도체 기판을 사용한 트랜지스터(160)는, 고속 동작이 가능하다. 따라서, 상기 트랜지스터를 판독용 트랜지스터로서 사용함으로써 정보를 고속으로 판독할 수 있다. 본 실시형태에서는, 트랜지스터(160)를 덮도록 절연막을 2층으로 형성한다. 다만, 절연막은 단층 구조로 하여도 좋고, 3층 이상의 적층으로 하여도 좋다. 트랜지스터(162) 및 용량 소자(164)를 형성하기 전의 처리로서, 트랜지스터(160) 위에 형성된 절연막에 CMP 처리를 실시하여 평탄화된 절연층(128), 절연층(130)을 형성함과 동시에 게이트 전극층(110)의 상면을 노출시킨다.The
절연층(128), 절연층(130)은, 대표적으로는 산화 실리콘막, 산화 질화 실리콘막, 산화 알루미늄막, 산화 질화 알루미늄막, 질화 실리콘막, 질화 알루미늄막, 질화 산화 실리콘막, 질화 산화 알루미늄막 등의 무기 절연막을 사용할 수 있다. 절연층(128), 절연층(130)은, 플라즈마 CVD법 또는 스퍼터링법 등을 사용하여 형성할 수 있다.The insulating
또한, 폴리이미드, 아크릴 수지, 벤조사이클로부텐계 수지 등의 유기 재료를 사용할 수 있다. 또한, 상기 유기 재료 이외에 저유전율 재료(low-k 재료) 등을 사용할 수 있다. 유기 재료를 사용하는 경우에는, 스핀 코팅법, 인쇄법 등의 습식법에 의하여 절연층(128), 절연층(130)을 형성하여도 좋다.In addition, organic materials such as polyimide, acrylic resin, and benzocyclobutene resin can be used. In addition, a low dielectric constant material (low-k material) or the like can be used in addition to the organic material. In the case of using an organic material, the insulating
또한, 본 실시형태에서 절연층(128)으로서 질화 실리콘막, 절연층(130)으로서 산화 실리콘막을 사용한다.In this embodiment, a silicon nitride film is used as the insulating
절연층(130) 표면에 있어서, 산화물 반도체층(144) 형성 영역에 대하여 평탄화 처리를 행하는 것이 바람직하다. 본 실시형태에서는, 연마 처리(예를 들어, CMP 처리)에 의하여 충분히 평탄화된(바람직하게는, 절연층(130) 표면의 평균 면 거칠기가 0.15nm 이하) 절연층(130) 위에 산화물 반도체층(144)을 형성한다.On the surface of the insulating
도 8a에 도시한 트랜지스터(162)는 산화물 반도체를 채널 형성 영역에 사용한 트랜지스터이다. 여기서, 트랜지스터(162)에 포함되는 산화물 반도체층(144)은 고순도화된 것이 바람직하다. 고순도화된 산화물 반도체를 사용함으로써 오프 특성이 매우 뛰어난 트랜지스터(162)를 얻을 수 있다.The
트랜지스터(162)는 오프 전류가 매우 작기 때문에, 이것을 사용함으로써 장기간에 걸쳐 기억 내용을 유지할 수 있다. 즉, 리프레시 동작이 필요 없거나 또는 리프레시 동작의 빈도가 매우 적은 반도체 기억 장치로 할 수 있기 때문에 소비 전력을 충분히 저감시킬 수 있다.Since the
트랜지스터(162)는 한 쌍의 불순물 영역 및 채널 형성 영역을 포함한 산화물 반도체층(144)과, 불순물 영역에서 산화물 반도체층(144)의 채널 길이 방향의 측면과 접하는 전극층(142a) 및 전극층(142b)을 갖는다. 이로써, 산화물 반도체층(144)과 전극층(142a) 또는 전극층(142b)과의 콘택트 저항을 저감할 수 있어, 트랜지스터(162)의 온 전류를 향상시킬 수 있다.The
또한, 트랜지스터(162)는 게이트 전극층(148)의 채널 길이 방향의 측면에 도전층(137a), 도전층(137b)을 포함함으로써, 상기 도전층(137a), 도전층(137b)이 게이트 절연층(146)을 개재하여 전극층(142a) 또는 전극층(142b)과 중첩되기 때문에, Lov 영역을 갖는 트랜지스터로 할 수 있어, 트랜지스터(162)의 온 전류의 저하를 억제할 수 있다.In addition, the
또한, 도전층(137a), 도전층(137b)은 각각 측벽 절연층(138a), 측벽 절연층(138b)을 마스크로 하여 형성되어 있다. 도전층(137a), 도전층(137b)은 스퍼터링법에 의한 커버리지 불량이 문제가 되지 않을 정도의 얇은 막 두께이기 때문에, 트랜지스터(162)에서, 도전층(137a), 도전층(137b)에 기인한 누설 전류의 발생을 억제할 수 있다.Further, the
트랜지스터(162) 위에는, 절연층(132), 절연층(135), 절연층(150)이 단층으로 또는 적층으로 형성되어 있다. 본 실시형태에서는, 절연층(132) 및 절연층(150)으로서 산화 알루미늄막을 사용한다. 산화 알루미늄막을 고밀도(막 밀도 3.2g/cm3 이상, 바람직하게는 3.6g/cm3 이상)로 함으로써, 트랜지스터(162)에 안정적인 전기 특성을 부여할 수 있다.On the
또한, 게이트 절연층(146)을 개재하여 트랜지스터(162)의 전극층(142a)과 중첩되는 영역에는 도전층(153)이 형성되어 있고, 전극층(142a)과, 게이트 절연층(146)과, 도전층(153)으로 용량 소자(164)가 구성된다. 즉, 트랜지스터(162)의 전극층(142a)은 용량 소자(164)의 한쪽 전극으로서 기능하고, 도전층(153)은 용량 소자(164)의 다른 쪽 전극으로서 기능한다. 또한, 용량이 불필요한 경우에는, 용량 소자(164)를 형성하지 않는 구성으로 할 수도 있다. 또한, 용량 소자(164)는 별도로 트랜지스터(162)의 상방에 형성하여도 좋다.In addition, a
본 실시형태에서, 도전층(153)은 트랜지스터(162)의 게이트 전극층(148)과 동일한 제작 공정에 의하여 형성할 수 있다. 또한, 게이트 전극층(148)의 측면에 도전층(137a), 도전층(137b) 및 측벽 절연층(138a), 측벽 절연층(138b)을 형성하는 공정에서, 도전층(153)의 측면에도 마찬가지로 도전층 또는 측벽 절연층을 형성하여도 좋다.In this embodiment, the
절연층(150) 위에는 트랜지스터(162)와 다른 트랜지스터를 접속하기 위한 배선(156)이 형성되어 있다. 배선(156)은 절연층(150), 절연층(135), 절연층(132) 및 게이트 절연층(146) 등에 형성된 개구에 형성된 전극층(136)을 통하여 전극층(142b)과 전기적으로 접속된다.A
도 8a 및 도 8b에서 트랜지스터(160)와 트랜지스터(162)는 적어도 일부가 중첩되도록 형성되어 있고, 트랜지스터(160)의 소스 영역 또는 드레인 영역과 산화물 반도체층(144)의 일부가 중첩되도록 형성되어 있는 것이 바람직하다. 또한, 트랜지스터(162) 및 용량 소자(164)가 트랜지스터(160)의 적어도 일부와 중첩되도록 형성되어 있다. 예를 들어, 용량 소자(164)의 도전층(153)은 트랜지스터(160)의 게이트 전극층(110)과 적어도 일부가 중첩되어 형성되어 있다. 이러한 평면 레이아웃을 채용함으로써, 반도체 장치의 점유 면적의 저감을 도모할 수 있기 때문에 고집적화를 도모할 수 있다.8A and 8B, the
또한, 전극층(142b) 및 배선(156)은, 전극층(136)을 형성하지 않고 전극층(142b) 및 배선(156)을 직접 접촉시켜 전기적으로 접속시켜도 좋다. 또한, 사이에 개재되는 도전층은 복수라도 좋다.Further, the
또한, 도 8a 및 도 8b에 대응하는 회로 구성의 일례를 도 8c에 도시하였다.In addition, an example of the circuit configuration corresponding to Figs. 8A and 8B is shown in Fig. 8C.
도 8c에서 제 1 배선(1st Line)과 트랜지스터(160)의 소스 전극층은 전기적으로 접속되어 있고, 제 2 배선(2nd Line)과 트랜지스터(160)의 드레인 전극층은 전기적으로 접속되어 있다. 또한, 제 3 배선(3rd Line)과 트랜지스터(162)의 소스 전극층 및 드레인 전극층 중 한쪽은 전기적으로 접속되어 있고, 제 4 배선(4th Line)과 트랜지스터(162)의 게이트 전극층은 전기적으로 접속되어 있다. 그리고, 트랜지스터(160)의 게이트 전극층과 트랜지스터(162)의 소스 전극층 및 드레인 전극층 중 다른 쪽은 용량 소자(164)의 한쪽 전극과 전기적으로 접속되어 있고, 제 5 배선(5th Line)과 용량 소자(164)의 다른 쪽 전극은 전기적으로 접속되어 있다.In FIG. 8C, the first wiring (1st Line) and the source electrode layer of the
도 8c에 도시한 반도체 장치에서는 트랜지스터(160)의 게이트 전극층의 전위가 유지 가능하다는 특징을 살림으로써, 다음과 같이 정보의 기록, 유지, 판독이 가능하다.In the semiconductor device shown in Fig. 8C, by taking advantage of the feature that the potential of the gate electrode layer of the
정보의 기록 및 유지에 대하여 설명한다. 우선, 제 4 배선의 전위를 트랜지스터(162)가 온 상태가 되는 전위로 하여 트랜지스터(162)를 온 상태로 한다. 이로써, 제 3 배선의 전위가 트랜지스터(160)의 게이트 전극층, 및 용량 소자(164)에 공급된다. 즉, 트랜지스터(160)의 게이트 전극층에는 소정의 전하가 제공된다(기록). 여기서는, 다른 2개의 전위 레벨을 제공하는 전하(이하 Low 레벨 전하, High 레벨 전하라고 함) 중 어느 하나가 제공되는 것으로 한다. 그 후, 제 4 배선의 전위를 트랜지스터(162)가 오프 상태가 되는 전위로 하여 트랜지스터(162)를 오프 상태로 함으로써 트랜지스터(160)의 게이트 전극층에 제공된 전하가 유지된다(유지).The recording and maintenance of information will be described. First, the potential of the fourth wiring is set to a potential at which the
트랜지스터(162)의 오프 전류가 매우 작기 때문에, 트랜지스터(160)의 게이트 전극층의 전하는 장시간에 걸쳐 유지된다.Since the off current of the
다음에, 정보의 판독에 대하여 설명한다. 제 1 배선에 소정의 전위(정(定)전위)를 제공한 상태에서 제 5 배선에 적절한 전위(판독 전위)를 제공하면, 트랜지스터(160)의 게이트 전극층에 유지된 전하량에 따라 제 2 배선의 전위는 달라진다. 이것은, 일반적으로 트랜지스터(160)를 n채널형으로 하면, 트랜지스터(160)의 게이트 전극층에 High 레벨 전하가 제공되어 있는 경우의 추정 임계값 Vth_H는 트랜지스터(160)의 게이트 전극층에 Low 레벨 전하가 제공되어 있는 경우의 추정 임계값 Vth_L보다 낮기 때문이다.Next, reading of information will be described. When a predetermined potential (positive potential) is provided to the first wiring and an appropriate potential (read potential) is provided to the fifth wiring, the second wiring is reduced according to the amount of charge held in the gate electrode layer of the
여기서, 추정 임계값 전압이란 트랜지스터(160)를 「온 상태」로 하기 위하여 필요한 제 5 배선의 전위를 가리킨다. 따라서, 제 5 배선의 전위를 Vth_H와 Vth_L 사이의 전위 V0으로 함으로써, 트랜지스터(160)의 게이트 전극층에 제공된 전하를 판별할 수 있다. 예를 들어, 기록에 있어서, High 레벨 전하가 제공된 경우에는, 제 5 배선의 전위가 V0(>Vth_H)가 되면, 트랜지스터(160)는 「온 상태」가 된다. Low 레벨 전하가 제공된 경우에는, 제 5 배선의 전위가 V0(<Vth_L)가 되어도, 트랜지스터(160)는 「오프 상태」이다. 따라서, 제 2 배선의 전위에 의하여 유지된 정보를 판독할 수 있다.Here, the estimated threshold voltage refers to the potential of the fifth wiring required to turn the
또한, 메모리 셀을 어레이 형상으로 배치하여 사용하는 경우에는, 원하는 메모리 셀의 정보만을 판독할 수 있을 필요가 있다. 이와 같이 정보를 판독하지 않는 경우에는, 게이트 전극층의 상태에 상관없이 트랜지스터(160)가 「오프 상태」가 되는 전위, 즉 Vth_H보다 낮은 전위를 제 5 배선에 제공하면 좋다. 또는, 게이트 전극층의 상태에 상관없이 트랜지스터(160)가 「온 상태」가 되는 전위, 즉 Vth_L보다 큰 전위를 제 5 배선에 제공하면 좋다.In addition, in the case of arranging and using memory cells in an array shape, it is necessary to be able to read only information of a desired memory cell. In the case where information is not read in this way, a potential at which the
본 실시형태에 기재된 반도체 장치에서는 채널 형성 영역에 산화물 반도체를 사용한 오프 전류가 매우 작은 트랜지스터를 적용함으로써 매우 장기간에 걸쳐 기억 내용을 유지할 수 있다. 즉, 리프레시 동작을 행할 필요가 없거나, 또는 리프레시 동작의 빈도를 극히 낮게 할 수 있기 때문에 소비 전력을 충분히 저감할 수 있다. 또한, 전력이 공급되지 않는 경우(다만, 전위는 고정되는 것이 바람직함)라도 장기간에 걸쳐 기억 내용을 유지할 수 있다.In the semiconductor device described in the present embodiment, the memory contents can be retained for a very long time by applying a transistor with an extremely small off-current using an oxide semiconductor to the channel formation region. That is, it is not necessary to perform the refresh operation, or since the frequency of the refresh operation can be made extremely low, power consumption can be sufficiently reduced. Further, even when no electric power is supplied (however, it is preferable that the potential be fixed), the contents of the memory can be maintained over a long period of time.
또한, 본 실시형태에 기재하는 반도체 장치에서는, 정보의 기록에 높은 전압을 필요로 하지 않아, 소자가 열화되는 문제도 없다. 예를 들어, 종래의 비휘발성 메모리와 같이, 부유 게이트에 전자를 주입하거나 부유 게이트로부터 전자를 뽑을 필요가 없기 때문에 게이트 절연층이 열화되는 문제가 전혀 생기지 않는다. 즉, 기재하는 발명에 따른 반도체 장치에서는 종래의 비휘발성 메모리에서 문제가 되고 있는 재기록 가능 횟수에 제한이 없고, 신뢰성이 비약적으로 향상된다. 또한, 트랜지스터의 온 상태와 오프 상태를 스위칭함으로써 정보가 기록되기 때문에 고속 동작도 용이하게 실현할 수 있다.Further, in the semiconductor device described in the present embodiment, a high voltage is not required for recording information, and there is no problem of deterioration of the element. For example, as in a conventional nonvolatile memory, since there is no need to inject electrons into the floating gate or extract electrons from the floating gate, there is no problem of deterioration of the gate insulating layer. That is, in the semiconductor device according to the disclosed invention, there is no limit to the number of times rewritable, which is a problem in the conventional nonvolatile memory, and reliability is drastically improved. Further, since information is recorded by switching the on-state and off-state of the transistor, high-speed operation can be easily realized.
상술한 바와 같이, 미세화 및 고집적화를 실현하고, 또 높은 전기적 특성이 부여된 반도체 장치, 및 상기 반도체 장치의 제작 방법을 제공할 수 있다.As described above, it is possible to provide a semiconductor device that realizes miniaturization and high integration, and is provided with high electrical properties, and a method of manufacturing the semiconductor device.
이상, 본 실시형태에서 기재한 구성이나 방법 등은 다른 실시형태에서 기재하는 구성이나 방법 등과 적절히 조합하여 사용할 수 있다.As described above, the configurations and methods described in this embodiment can be used in appropriate combination with the configurations and methods described in other embodiments.
(실시형태 4)(Embodiment 4)
본 실시형태에서는 실시형태 1 또는 실시형태 2에 기재된 트랜지스터가 사용되고 있고 전력이 공급되지 않는 상황에서도 기억 내용이 유지될 수 있으며, 기록 횟수에 대한 제한이 없는 반도체 장치의, 실시형태 3에 기재된 구성과 상이한 구성에 대하여 도 9a 내지 도 10b를 사용하여 설명한다.In this embodiment, the memory contents can be retained even when the transistor described in the first embodiment or the second embodiment is used and no power is supplied, and the configuration described in the third embodiment of the semiconductor device having no limitation on the number of writes and Different configurations will be described with reference to Figs. 9A to 10B.
도 9a는 반도체 장치의 회로 구성의 일례를 도시한 것이고, 도 9b는 반도체 장치의 일례를 도시한 개념도이다. 우선, 도 9a에 도시한 반도체 장치에 대하여 설명하고, 이어서 도 9b에 도시한 반도체 장치에 대하여 이하에서 설명한다.9A is a diagram showing an example of a circuit configuration of a semiconductor device, and FIG. 9B is a conceptual diagram showing an example of a semiconductor device. First, the semiconductor device shown in Fig. 9A will be described, and then the semiconductor device shown in Fig. 9B will be described below.
도 9a에 도시한 반도체 장치에서 비트선 BL과 트랜지스터(162)의 소스 전극층 또는 드레인 전극층은 전기적으로 접속되어 있고, 워드선 WL과 트랜지스터(162)의 게이트 전극층은 전기적으로 접속되어 있고, 트랜지스터(162)의 소스 전극층 또는 드레인 전극층과 용량 소자(254)의 제 1 단자는 전기적으로 접속되어 있다.In the semiconductor device shown in FIG. 9A, the bit line BL and the source electrode layer or the drain electrode layer of the
다음에, 도 9a에 도시한 반도체 장치(메모리 셀(250))에서 정보의 기록 및 정보의 유지를 행하는 경우에 대하여 설명한다.Next, a case where information is recorded and information is retained in the semiconductor device (memory cell 250) shown in Fig. 9A will be described.
우선, 워드선 WL의 전위를 트랜지스터(162)가 온 상태가 되는 전위로 하여 트랜지스터(162)를 온 상태로 한다. 이로써, 비트선 BL의 전위가 용량 소자(254)의 제 1 단자에 공급된다(기록). 그 후, 워드선 WL의 전위를 트랜지스터(162)가 오프 상태가 되는 전위로 하여 트랜지스터(162)를 오프 상태로 함으로써 용량 소자(254)의 제 1 단자의 전위가 유지된다(유지).First, the potential of the word line WL is set to a potential at which the
산화물 반도체를 사용한 트랜지스터(162)는 오프 전류가 매우 작다는 특징을 갖는다. 따라서, 트랜지스터(162)를 오프 상태로 함으로써 용량 소자(254)의 제 1 단자의 전위(또는, 용량 소자(254)에 축적된 전하)를 매우 장시간에 걸쳐 유지할 수 있다.The
다음에, 정보의 판독에 대하여 설명한다. 트랜지스터(162)가 온 상태가 되면 부유 상태인 비트선 BL과 용량 소자(254)가 도통하고, 비트선 BL과 용량 소자(254) 사이에서 전하가 재분배된다. 그 결과, 비트선 BL의 전위가 변화된다. 비트선 BL의 전위의 변화량은 용량 소자(254)의 제 1 단자의 전위(또는 용량 소자(254)에 축적된 전하)에 따라 달라진다.Next, reading of information will be described. When the
예를 들어, 용량 소자(254)의 제 1 단자의 전위를 V, 용량 소자(254)의 용량을 C, 비트선 BL이 갖는 용량 성분(이하, 비트선 용량이라고도 부름)을 CB, 전하가 재분배되기 전의 비트선 BL의 전위를 VB0으로 하면, 전하가 재분배된 후의 비트선 BL의 전위는 (CB×VB0+C×V)/(CB+C)가 된다. 따라서, 메모리 셀(250)의 상태로서 용량 소자(254)의 제 1 단자의 전위가 V1과 V0(V1>V0)의 2가지 상태를 가지면, 전위 V1을 유지한 경우의 비트선 BL의 전위(=(CB×VB0+C×V1)/(CB+C))는 전위 V0을 유지한 경우의 비트선 BL의 전위(=(CB×VB0+C×V0)/(CB+C))보다 높은 것을 알 수 있다.For example, the potential of the first terminal of the
그리고, 비트선 BL의 전위를 소정의 전위와 비교함으로써, 정보를 판독할 수 있다.Then, by comparing the potential of the bit line BL with a predetermined potential, information can be read.
이와 같이, 도 9a에 도시한 반도체 장치는 트랜지스터(162)의 오프 전류가 매우 작다는 특징을 갖기 때문에, 용량 소자(254)에 축적된 전하는 장시간에 걸쳐 유지될 수 있다. 즉, 리프레시 동작을 행할 필요가 없거나, 또는 리프레시 동작의 빈도를 극히 낮게 할 수 있기 때문에 소비 전력을 충분히 저감할 수 있다. 또한, 전력의 공급이 없는 경우라도, 기억된 내용을 장기간에 걸쳐 유지할 수 있다.As described above, since the semiconductor device shown in FIG. 9A has a characteristic that the off current of the
다음에, 도 9b에 도시한 반도체 장치에 대하여 설명한다.Next, the semiconductor device shown in Fig. 9B will be described.
도 9b에 도시한 반도체 장치는 상부에 기억 회로로서 도 9a에 도시한 메모리 셀(250)을 복수로 갖는 메모리 셀 어레이(251a) 및 메모리 셀 어레이(251b)를 갖고, 하부에 메모리 셀 어레이(251)(메모리 셀 어레이(251a) 및 메모리 셀 어레이(251b))를 동작시키기 위하여 필요한 주변 회로(253)를 갖는다. 또한, 주변 회로(253)는 메모리 셀 어레이(251)와 전기적으로 접속되어 있다.The semiconductor device shown in FIG. 9B has a
도 9b에 도시한 구성으로 함으로써, 주변 회로(253)를 메모리 셀 어레이(251)(메모리 셀 어레이(251a) 및 메모리 셀 어레이(251b)) 바로 아래에 제공할 수 있어 반도체 장치의 소형화를 도모할 수 있다.By setting it as the structure shown in FIG. 9B, the
주변 회로(253)에 형성된 트랜지스터는 트랜지스터(162)와 다른 반도체 재료를 사용하는 것이 더 바람직하다. 예를 들어, 실리콘, 게르마늄, 실리콘 게르마늄, 탄화 실리콘, 또는 갈륨 비소 등을 사용할 수 있고, 단결정 반도체를 사용하는 것이 바람직하다. 이 외에 유기 반도체 재료 등을 사용하여도 좋다. 이러한 반도체 재료를 사용한 트랜지스터는 충분한 고속 동작이 가능하다. 따라서, 고속 동작이 요구되는 각종 회로(논리 회로, 구동 회로 등)를 상기 트랜지스터에 의하여 적합하게 실현할 수 있다.It is more preferable that the transistor formed in the
또한, 도 9b에 도시한 반도체 장치에서는 2개의 메모리 셀 어레이(251)(메모리 셀 어레이(251a) 및 메모리 셀 어레이(251b))가 적층된 구성을 예시하였지만, 적층시키는 메모리 셀 어레이의 개수는 이것에 한정되지 않는다. 3개 이상의 메모리 셀 어레이를 적층하는 구성으로 하여도 좋다.In addition, in the semiconductor device shown in Fig. 9B, the configuration in which two memory cell arrays 251 (
다음에, 도 9a에 도시한 메모리 셀(250)의 구체적인 구성에 대하여 도 10a 및 도 10b를 사용하여 설명한다.Next, a specific configuration of the
도 10a 및 도 10b는 메모리 셀(250)의 구성의 일례이다. 도 10a에 메모리 셀(250)의 단면도를, 도 10b에 메모리 셀(250)의 평면도를 각각 도시하였다. 여기서, 도 10a는 도 10b의 F1-F2, 및 G1-G2에 있어서의 단면에 상당한다.10A and 10B are examples of the configuration of the
도 10a 및 도 10b에 도시한 트랜지스터(162)는 실시형태 1 또는 실시형태 2에서 기재한 구성을 적용할 수 있다. 본 실시형태에서는, 도 1a 및 도 1b의 트랜지스터(420)와 동일한 구성으로 하는 예를 기재한다.The
게이트 절연층(146)을 개재하여 트랜지스터(162)의 전극층(142a)과 중첩되는 영역에는 도전층(262)이 형성되고, 전극층(142a)과, 게이트 절연층(146)과, 도전층(262)으로 용량 소자(254)가 구성된다. 즉, 트랜지스터(162)의 전극층(142a)은 용량 소자(254)의 한쪽 전극으로서 기능하고, 도전층(262)은 용량 소자(254)의 다른 쪽 전극으로서 기능한다.A
트랜지스터(162) 및 용량 소자(254) 위에는, 절연층(132), 절연층(135) 및 절연층(256)이 단층 또는 적층으로 형성되어 있다. 또한, 절연층(256) 위에는 메모리 셀(250)과, 그 메모리 셀과 인접된 메모리 셀(250)을 접속하기 위한 배선(260)이 형성되어 있다. 배선(260)은, 절연층(256), 절연층(135), 절연층(132) 및 게이트 절연층(146) 등에 형성된 개구를 통하여 트랜지스터(162)의 전극층(142b)과 전기적으로 접속된다. 다만, 배선(260)과 전극층(142b)을 직접 접속시켜도 좋다. 또한, 배선(260)은 도 9a의 회로도에서의 비트선 BL에 상당한다.On the
도 10a 및 도 10b에 있어서 트랜지스터(162)의 전극층(142b)은 인접된 메모리 셀에 포함되는 트랜지스터의 소스 전극층으로서도 기능할 수 있다. 이러한 평면 레이아웃을 채용함으로써, 반도체 장치의 점유 면적의 저감을 도모할 수 있기 때문에 고집적화를 도모할 수 있다.10A and 10B, the
다층으로 형성된 복수의 메모리 셀은 산화물 반도체를 사용한 트랜지스터로 형성되어 있다. 산화물 반도체를 사용한 트랜지스터는 오프 전류가 작기 때문에 이것을 사용함으로써 장시간에 걸쳐 기억 내용을 유지할 수 있다. 즉, 리프레시 동작의 빈도를 매우 낮게 할 수 있기 때문에 소비 전력을 충분히 저감시킬 수 있다.A plurality of memory cells formed in multiple layers are formed by transistors using oxide semiconductors. Since the transistor using the oxide semiconductor has a small off current, the memory contents can be retained over a long period of time by using this transistor. That is, since the frequency of the refresh operation can be made very low, power consumption can be sufficiently reduced.
상술한 바와 같이, 산화물 반도체 외의 재료를 사용한 트랜지스터(바꿔 말하면, 충분한 고속 동작을 할 수 있는 트랜지스터)를 사용한 주변 회로와, 산화물 반도체를 사용한 트랜지스터(더 넓은 의미에서는 충분히 오프 전류가 작은 트랜지스터)를 사용한 기억 회로를 일체로 구비함으로써 여태까지 없었던 특징을 갖는 반도체 장치를 실현할 수 있다. 또한, 주변 회로와 기억 회로를 적층 구조로 함으로써 반도체 장치의 집적화를 도모할 수 있다.As described above, a peripheral circuit using a transistor using a material other than an oxide semiconductor (in other words, a transistor capable of sufficiently high-speed operation) and a transistor using an oxide semiconductor (in a broader sense, a transistor with a sufficiently small off current) are used. By integrally providing the memory circuit, it is possible to realize a semiconductor device having characteristics that have not been possible. In addition, the semiconductor device can be integrated by forming a stacked structure of the peripheral circuit and the memory circuit.
상술한 바와 같이, 미세화 및 고집적화를 실현하고, 또 높은 전기적 특성이 부여된 반도체 장치, 및 상기 반도체 장치의 제작 방법을 제공할 수 있다.As described above, it is possible to provide a semiconductor device that realizes miniaturization and high integration, and is provided with high electrical properties, and a method of manufacturing the semiconductor device.
본 실시형태는 다른 실시형태에서 기재한 구성과 적절히 조합하여 실시하는 것이 가능하다.This embodiment can be implemented in appropriate combination with the structures described in the other embodiments.
(실시형태 5)(Embodiment 5)
본 실시형태에서는 상술한 실시형태에 기재된 반도체 장치를 휴대 전화, 스마트폰, 전자 서적 등의 휴대 기기에 응용한 경우의 예를 도 11a 내지 도 14를 사용하여 설명한다.In the present embodiment, an example in which the semiconductor device described in the above-described embodiment is applied to a portable device such as a mobile phone, a smartphone, and an electronic book will be described with reference to FIGS. 11A to 14.
휴대 전화, 스마트폰, 전자 서적 등의 휴대 기기에서는, 화상 데이터의 임시 기억 등에 SRAM 또는 DRAM이 사용되고 있다. SRAM 또는 DRAM이 사용되는 이유로는 플래시 메모리는 응답이 늦고, 화상 처리에 적합하지 않기 때문이다. 한편, SRAM 또는 DRAM을 화상 데이터의 임시 기억에 사용한 경우 이하의 특징이 있다.In portable devices such as mobile phones, smartphones, and electronic books, SRAM or DRAM is used for temporary storage of image data. The reason why SRAM or DRAM is used is that flash memory has a slow response and is not suitable for image processing. On the other hand, when SRAM or DRAM is used for temporary storage of image data, there are the following features.
일반적인 SRAM은 도 11a에 도시한 바와 같이, 하나의 메모리 셀이 트랜지스터(801) 내지 트랜지스터(806)의 6개의 트랜지스터로 구성되어 있고, 이것을 X 디코더(807) 및 Y 디코더(808)로 구동시킨다. 트랜지스터(803)와 트랜지스터(805), 및 트랜지스터(804)와 트랜지스터(806)는 인버터를 구성하고, 고속 구동을 가능하게 한다. 그러나, 하나의 메모리 셀이 6개의 트랜지스터로 구성되어 있기 때문에, 셀 면적이 크다고 하는 결점이 있다. 디자인 룰의 최소 치수를 F로 하였을 때 SRAM의 메모리 셀 면적은 보통 100F2 내지 150F2이다. 이로써, SRAM은 비트당의 단가가 각 종 메모리 중에서 가장 비싸다.In a typical SRAM, as shown in Fig. 11A, one memory cell is composed of six transistors of
한편, DRAM은 메모리 셀이 도 11b에 도시한 바와 같이, 트랜지스터(811) 및 유지 용량(812)으로 구성되어 있고, 이것을 X 디코더(813) 및 Y 디코더(814)로 구동시킨다. 하나의 셀이 하나의 트랜지스터, 하나의 용량으로 구성이 되어 있어, 면적이 작다. DRAM의 메모리 셀 면적은 보통 10F2 이하이다. 그러나, DRAM은 항상 리프레시 동작할 필요가 있어 재기록하지 않는 동안에도 전력이 소비된다.On the other hand, in DRAM, a memory cell is composed of a
그러나, 상술한 실시형태에서 설명한 반도체 장치의 메모리 셀 면적은 10F2 전후이고, 또 빈번한 리프레시가 필요하지 않다. 따라서, 메모리 셀 면적이 축소되고 또 소비 전력을 저감시킬 수 있다.However, the memory cell area of the semiconductor device described in the above-described embodiment is around 10F 2 , and frequent refreshing is not required. Accordingly, the memory cell area can be reduced and power consumption can be reduced.
도 12는 휴대 기기의 블록도를 도시한 것이다. 도 12에 도시한 휴대 기기는 RF 회로(901), 아날로그 베이스 밴드 회로(902), 디지털 베이스 밴드 회로(903), 배터리(904), 전원 회로(905), 애플리케이션 프로세서(906), 플래시 메모리(910), 디스플레이 컨트롤러(911), 메모리 회로(912), 디스플레이(913), 터치 센서(919), 음성 회로(917), 키보드(918) 등으로 구성되어 있다. 디스플레이(913)는 표시부(914), 소스 드라이버(915), 및 게이트 드라이버(916)로 구성되어 있다. 애플리케이션 프로세서(906)는 CPU(907), DSP(908), 인터페이스(IF)(909)를 갖는다. 일반적으로 메모리 회로(912)는 SRAM 또는 DRAM으로 구성되어 있고, 이 부분에 상술한 실시형태에서 설명한 반도체 장치를 채용함으로써, 정보의 기록 및 판독이 고속으로 행해지고, 장기간에 걸쳐 기억을 유지할 수 있고, 또 소비 전력을 충분히 저감시킬 수 있다.12 is a block diagram of a portable device. The portable device shown in FIG. 12 includes an
도 13은 디스플레이의 메모리 회로(950)에 상술한 실시형태에서 설명한 반도체 장치를 사용한 예를 도시한 것이다. 도 13에 도시한 메모리 회로(950)는 메모리(952), 메모리(953), 스위치(954), 스위치(955), 및 메모리 컨트롤러(951)로 구성되어 있다. 또한, 메모리 회로(950)는 신호선으로부터 입력된 화상 데이터(입력 화상 데이터), 메모리(952), 및 메모리(953)에 기억된 데이터(기억 화상 데이터)의 판독, 및 제어를 행하는 디스플레이 컨트롤러(956)와, 디스플레이 컨트롤러(956)로부터의 신호에 의하여 표시하는 디스플레이(957)가 접속되어 있다.13 shows an example in which the semiconductor device described in the above-described embodiment is used for the
우선, 어느 화상 데이터가 애플리케이션 프로세서(도시되지 않음)에 의하여 형성된다(입력 화상 데이터 A). 입력 화상 데이터 A는 스위치(954)를 통하여 메모리(952)에 기억된다. 그리고 메모리(952)에 기억된 화상 데이터(기억 화상 데이터 A)는 스위치(955) 및 디스플레이 컨트롤러(956)를 통하여 디스플레이(957)로 전송되어 표시된다.First, certain image data is formed by an application processor (not shown) (input image data A). The input image data A is stored in the
입력 화상 데이터 A가 변경되지 않은 경우, 기억 화상 데이터 A는 디스플레이 컨트롤러(956)에 의하여 보통 30Hz 내지 60Hz 정도의 주기로 스위치(955)를 통하여 메모리(952)로부터 판독된다.When the input image data A is not changed, the stored image data A is read from the
다음에, 예를 들어 사용자가 화면의 재기록 조작을 하였을 때(즉, 입력 화상 데이터 A가 변경되는 경우), 애플리케이션 프로세서는 새로운 화상 데이터(입력 화상 데이터 B)를 형성한다. 입력 화상 데이터 B는 스위치(954)를 통하여 메모리(953)에 기억된다. 이 동안에도 정기적으로 메모리(952)로부터 스위치(955)를 통하여 기억 화상 데이터 A는 판독된다. 메모리(953)에 새로운 화상 데이터(기억 화상 데이터 B)가 모두 기억되고 나면, 디스플레이(957)의 다음의 프레임으로부터 기억 화상 데이터 B가 판독되고, 스위치(955) 및 디스플레이 컨트롤러(956)를 통하여 디스플레이(957)에 기억 화상 데이터 B가 전송되어, 표시된다. 이 판독 동작은 또 다른 화상 데이터가 메모리(952)에 기억될 때까지 계속된다.Next, for example, when the user performs a rewrite operation of the screen (that is, when the input image data A is changed), the application processor forms new image data (input image data B). The input image data B is stored in the
이와 같이 메모리(952) 및 메모리(953)는 교대로 화상 데이터의 기록과 화상 데이터의 판독을 행함으로써, 디스플레이(957)의 표시를 행한다. 또한, 메모리(952) 및 메모리(953)는 각각 다른 메모리에 한정되지 않고, 하나의 메모리를 분할하여 사용하여도 좋다. 상술한 실시형태에서 설명한 반도체 장치를 메모리(952) 및 메모리(953)에 채용함으로써 정보의 기록 및 판독을 고속으로 행할 수 있고, 장기간 동안 기억을 유지할 수 있고, 또 소비 전력을 충분히 저감할 수 있다.In this way, the
도 14는 전자 서적의 블록도를 도시한 것이다. 도 14에 도시한 전자 서적은 배터리(1001), 전원 회로(1002), 마이크로 프로세서(1003), 플래시 메모리(1004), 음성 회로(1005), 키보드(1006), 메모리 회로(1007), 터치 패널(1008), 디스플레이(1009), 및 디스플레이 컨트롤러(1010)로 구성된다.14 shows a block diagram of an electronic book. The electronic book shown in FIG. 14 includes a
여기서, 도 14의 메모리 회로(1007)에 상술한 실시형태에서 설명한 반도체 장치를 사용할 수 있다. 메모리 회로(1007)는 서적의 내용을 임시적으로 유지하는 기능을 갖는다. 기능의 예로서는, 사용자가 하이라이트 기능을 사용하는 경우 등이 있다. 사용자가 전자 서적을 읽고 있을 때, 특정의 부분에 마킹을 하고 싶은 경우가 있다. 이 마킹 기능을 하이라이트 기능이라고 하고, 표시의 색을 바꾸고, 언더라인을 긋고, 문자를 굵게 하고, 문자의 서체를 바꾸는 등에 의하여 주위와의 차이를 나타내는 것이다. 사용자가 지정한 개소의 정보를 기억하고, 유지하는 기능이다. 이 정보를 장기간에 걸쳐 유지하는 경우에는 플래시 메모리(1004)에 복사하여도 좋다. 이러한 경우에 있어서도, 상술한 실시형태에서 설명한 반도체 장치를 채용함으로써 정보의 기록 및 판독이 고속으로 행해지고, 장기간에 걸쳐 기억을 유지할 수 있고, 또 소비 전력을 충분히 저감할 수 있다.Here, the semiconductor device described in the above-described embodiment can be used for the
상술한 바와 같이, 본 실시형태에 기재된 휴대 기기에는 상술한 실시형태에 따른 반도체 장치가 탑재되어 있다. 따라서, 판독이 고속으로 행해지고, 장기간에 걸쳐 기억을 유지할 수 있고, 또 소비 전력을 저감한 휴대 기기가 실현된다.As described above, the semiconductor device according to the above-described embodiment is mounted in the portable device according to the present embodiment. Accordingly, a portable device in which reading is performed at high speed, storage can be maintained over a long period of time, and power consumption is reduced is realized.
본 실시형태에서 기재한 구성, 방법 등은 다른 실시형태에서 기재한 구성, 방법 등과 적절히 조합하여 사용할 수 있다.The configurations, methods, and the like described in this embodiment can be used in appropriate combination with the configurations, methods, and the like described in other embodiments.
(실시예)(Example)
본 실시예에서는, 본 발명의 일 형태의 반도체 장치의 제작 방법을 적용하여 도전막을 가공함으로써, 실시형태 1에서 기재한 바와 같은 게이트 전극층 및 게이트 전극층의 측면에 형성된 도전층의 형상을 얻을 수 있는 것을 확인하였다.In this embodiment, it is possible to obtain the shape of the gate electrode layer and the conductive layer formed on the side surface of the gate electrode layer as described in
이하에서, 실시예 시료의 제작 방법에 대하여 기재한다.Hereinafter, a method of preparing an example sample is described.
우선, 실리콘 기판을 준비하고, CVD 법으로 기판 위에 질화 산화 실리콘막을 막 두께가 20nm가 되도록 형성하였다. 상기 질화 산화 실리콘막은, 본 발명의 일 형태에 따른 트랜지스터의 게이트 절연층에 상당하기 때문에, 이하의 본 실시예에서는 게이트 절연층이라고 표기한다.First, a silicon substrate was prepared, and a silicon nitride oxide film was formed on the substrate by a CVD method so as to have a thickness of 20 nm. Since the silicon nitride oxide film corresponds to the gate insulating layer of the transistor according to one embodiment of the present invention, it is referred to as a gate insulating layer in the present embodiment below.
다음에, 게이트 절연층 위에 도전막을 형성하였다. 도전막으로서 막 두께가 30nm인 질화 탄탈막을, 아르곤 및 질소(Ar:N2=50sccm:10sccm) 혼합 분위기하, 압력 0.6Pa, 전원 전력 1kW의 스퍼터링법으로 형성하고, 그 위에 막 두께가 135nm인 텅스텐막을, 아르곤(Ar=100sccm) 분위기하, 압력 2.0Pa, 전원 전력 4kW의 스퍼터링법으로 형성하였다.Next, a conductive film was formed on the gate insulating layer. As a conductive film, a tantalum nitride film having a thickness of 30 nm was formed by a sputtering method having a pressure of 0.6 Pa and a power supply power of 1 kW in a mixed atmosphere of argon and nitrogen (Ar:N 2 =50 sccm:10 sccm), and having a film thickness of 135 nm thereon. The tungsten film was formed by sputtering under an argon (Ar = 100 sccm) atmosphere with a pressure of 2.0 Pa and a power supply power of 4 kW.
다음에, ICP(Inductively Coupled Plasma: 유도 결합형 플라즈마) 에칭법을 사용하여, 염소, 4불화탄소 및 산소(Cl2: CF4: O2=45sccm: 55sccm: 55sccm) 혼합 분위기하, 전원 전력 3kW, 바이어스 전력 50W, 압력 0.67Pa의 조건으로 텅스텐막을 에칭 처리하여, 패턴 형성된 텅스텐층을 형성하였다.Next, using an ICP (Inductively Coupled Plasma: Inductively Coupled Plasma) etching method, under a mixed atmosphere of chlorine, carbon tetrafluoride and oxygen (Cl 2 : CF 4 : O 2 =45 sccm: 55 sccm: 55 sccm), power supply power 3 kW , The tungsten film was etched under the conditions of 50 W of bias power and 0.67 Pa of pressure to form a patterned tungsten layer.
다음에, ICP 에칭법을 사용하여, 염소(Cl2=100sccm) 분위기하, 전원 전력 1kW, 바이어스 전력 60W, 압력 0.2Pa의 조건으로 질화 탄탈막을 에칭 처리하여, 패턴 형성된 질화 탄탈층을 형성하였다. 질화 탄탈층 및 텅스텐층의 적층 구조는 본 발명의 일 형태에 따른 트랜지스터의 게이트 전극층에 상당하기 때문에, 이하의 본 실시예에서는 게이트 전극층이라고 표기한다. Next, the tantalum nitride film was etched in a chlorine (Cl 2 =100 sccm) atmosphere under the conditions of a power supply power of 1 kW, a bias power of 60 W, and a pressure of 0.2 Pa using an ICP etching method to form a patterned tantalum nitride layer. Since the laminated structure of the tantalum nitride layer and the tungsten layer corresponds to the gate electrode layer of the transistor according to one embodiment of the present invention, it is referred to as the gate electrode layer in the present embodiment below.
다음에, 스퍼터링법을 사용하여, 게이트 전극층을 덮도록 막 두께가 30nm인 텅스텐막을 형성하였다. 아르곤(Ar=50sccm) 분위기하, 압력 0.6Pa, 전원 전력 1kW를 성막 조건으로 하였다.Next, a tungsten film having a thickness of 30 nm was formed so as to cover the gate electrode layer by using a sputtering method. In an argon (Ar = 50 sccm) atmosphere, a pressure of 0.6 Pa and a power supply of 1 kW were used as film formation conditions.
다음에, CVD 법을 사용하여, 텅스텐막 위에 막 두께가 150nm인 질화 산화 실리콘막을 형성하였다.Next, a silicon nitride oxide film having a thickness of 150 nm was formed on the tungsten film by using the CVD method.
다음에, ICP 에칭법을 사용하여, 트라이플루오로메탄 및 헬륨(CHF3:He=30sccm:120sccm) 혼합 분위기하, 전원 전력 3kW, 바이어스 전력 200W, 압력 2.0Pa의 조건으로 질화 산화 실리콘막을 에칭 처리하였다. 에칭 처리에 의하여 얻어진 질화 산화 실리콘층은, 본 발명의 일 형태에 따른 트랜지스터의 측벽 절연층에 상당하기 때문에, 이하의 본 실시예에서는 측벽 절연층이라고 표기한다.Next, the silicon nitride oxide film was etched using the ICP etching method under the conditions of a trifluoromethane and helium (CHF 3 :He=30 sccm:120 sccm) mixed atmosphere, a power supply power of 3 kW, a bias power of 200 W, and a pressure of 2.0 Pa. I did. Since the silicon nitride oxide layer obtained by the etching treatment corresponds to the sidewall insulating layer of the transistor according to one embodiment of the present invention, it is referred to as a sidewall insulating layer in the present embodiment below.
다음에, 측벽 절연층을 마스크로 하고 ICP 에칭법을 사용하여, 4불화탄소, 염소 및 산소(CF4:Cl2:O2=50sccm: 50sccm: 20sccm) 혼합 분위기하, 전원 전력 500W, 바이어스 전력 10W, 압력 1.6Pa의 조건으로 텅스텐막을 에칭 처리함으로써, 게이트 전극층의 측면에 도전층(본 실시예에서는 텅스텐층)을 형성하였다.Next, using the sidewall insulating layer as a mask and using the ICP etching method, under a mixed atmosphere of carbon tetrafluoride, chlorine and oxygen (CF 4 :Cl 2 :O 2 =50 sccm: 50 sccm: 20 sccm), power supply power 500 W, bias power By etching the tungsten film under conditions of 10 W and a pressure of 1.6 Pa, a conductive layer (tungsten layer in this embodiment) was formed on the side surface of the gate electrode layer.
상기 방법을 사용하여 제작한 실시예 시료의 주사형 투과 전자 현미경(STEM: Scanning Transmission Electron Microscopy)에 의한 단면 사진(단면 STEM 사진)을 도 15에 나타냈다.Fig. 15 shows a cross-sectional photograph (cross-sectional STEM photograph) of an example sample prepared using the above method by a Scanning Transmission Electron Microscopy (STEM).
도 15에 의하여, 본 실시예에서 기재한 제작 방법을 사용하여 실시형태 1에서 기재한 게이트 전극층 및 게이트 전극층의 측면에 형성된 도전층의 형상이 얻어지는 것을 확인할 수 있었다.15, it was confirmed that the shape of the gate electrode layer described in
또한, 실시예 시료는 도 7b와 같이, 측벽 절연층의 높이(기판 표면으로부터 측벽 절연층의 최상면까지의 거리)가 도전층의 높이(기판 표면으로부터 도전층의 최상면까지의 거리)보다 낮다. 또한, 도 15에서, 게이트 전극층과 중첩되는 영역의 게이트 절연층의 막 두께는, 도전층과 중첩되는 영역의 막 두께보다 두껍다. 구체적으로는, 실시예 시료에서, 게이트 전극층과 중첩되는 영역의 게이트 절연층의 막 두께는 17.9nm이고, 도전층과 중첩되는 영역의 게이트 절연층의 막 두께는 11.2nm이었다. 이 이유로서는, 게이트 전극층을 에칭할 때 게이트 절연층도 같이 에칭되었기 때문이라고 생각할 수 있다.In addition, in the example sample, the height of the sidewall insulating layer (distance from the substrate surface to the uppermost surface of the sidewall insulating layer) is lower than the height of the conductive layer (distance from the substrate surface to the uppermost surface of the conductive layer), as shown in FIG. 7B. In addition, in FIG. 15, the film thickness of the gate insulating layer in the region overlapping the gate electrode layer is thicker than the film thickness in the region overlapping the conductive layer. Specifically, in the example sample, the thickness of the gate insulating layer in the region overlapping the gate electrode layer was 17.9 nm, and the thickness of the gate insulating layer in the region overlapping the conductive layer was 11.2 nm. It can be considered that the reason for this is that the gate insulating layer was also etched when the gate electrode layer was etched.
또한, 실시예 시료의 도전층의 측단부는 측벽 절연층의 측단부보다 채널 길이 방향에서 후퇴되어 있다. 다만, 기재하는 발명의 기술적 사상은, 자기정합적으로 형성된 측벽 절연층을 마스크로 하여 도전층을 에칭함으로써 포토리소그래피 공정을 사용하지 않고 미세한 구조의 트랜지스터에 있어서 Lov 영역을 형성하는 점에 있다. 따라서, 같은 마스크를 사용하여 에칭한 경우(또는 어떠한 층을 마스크로 하여 하층을 에칭한 경우)에, 에칭 조건 등에 따라 생긴 단부의 편차 정도의 차이는 충분히 허용되어, 상기 같은 마스크를 사용하여 에칭 처리된 각 층의 단부는 일치되는 것으로 한다.Further, the side end portion of the conductive layer of the example sample is retracted from the side end portion of the sidewall insulating layer in the channel length direction. However, the technical idea of the described invention lies in that the Lov region is formed in a transistor having a fine structure without using a photolithography process by etching the conductive layer using the sidewall insulating layer formed by self-alignment as a mask. Therefore, in the case of etching using the same mask (or etching the lower layer using a certain layer as a mask), the difference in the degree of deviation at the end caused by the etching conditions, etc., is sufficiently allowed, and the etching treatment using the same mask above. The ends of each layer are to be coincident.
100: 기판
106: 소자 분리 절연층
108: 게이트 절연층
110: 게이트 전극층
116: 채널 형성 영역
120: 불순물 영역
124: 금속간 화합물 영역
128: 절연층
130: 절연층
132: 절연층
135: 절연층
136: 전극층
137a: 도전층
137b: 도전층
138a: 측벽 절연층
138b: 측벽 절연층
142a: 전극층
142b: 전극층
144: 산화물 반도체층
146: 게이트 절연층
148: 게이트 전극층
150: 절연층
153: 도전층
156: 배선
160: 트랜지스터
162: 트랜지스터
164: 용량 소자
250: 메모리 셀
251: 메모리 셀 어레이
251a: 메모리 셀 어레이
251b: 메모리 셀 어레이
253: 주변 회로
254: 용량 소자
256: 절연층
260: 배선
262: 도전층
400: 기판
401: 게이트 전극층
402: 게이트 절연층
403: 산화물 반도체층
403a: 불순물 영역
403b: 불순물 영역
403c: 채널 형성 영역
405: 도전막
405a: 소스 전극층
405b: 드레인 전극층
406: 절연층
407: 절연층
411: 도전층
412: 측벽 절연층
413: 산화물 반도체층
415: 도전막
416: 절연층
420: 트랜지스터
422: 트랜지스터
424: 트랜지스터
426: 트랜지스터
428: 트랜지스터
430: 트랜지스터
431: 도펀트
435a: 배선층
435b: 배선층
436: 하지 절연층
801: 트랜지스터
803: 트랜지스터
804: 트랜지스터
805: 트랜지스터
806: 트랜지스터
807: X 디코더
808: Y 디코더
811: 트랜지스터
812: 유지 용량
813: X 디코더
814: Y 디코더
901: RF 회로
902: 아날로그 베이스 밴드 회로
903: 디지털 베이스 밴드 회로
904: 배터리
905: 전원 회로
906: 애플리케이션 프로세서
907: CPU
908: DSP
909: 인터페이스
910: 플래시 메모리
911: 디스플레이 컨트롤러
912: 메모리 회로
913: 디스플레이
914: 표시부
915: 소스 드라이버
916: 게이트 드라이버
917: 음성 회로
918: 키보드
919: 터치 센서
950: 메모리 회로
951: 메모리 컨트롤러
952: 메모리
953: 메모리
954: 스위치
955: 스위치
956: 디스플레이 컨트롤러
957: 디스플레이
1001: 배터리
1002: 전원 회로
1003: 마이크로 프로세서
1004: 플래시 메모리
1005: 음성 회로
1006: 키보드
1007: 메모리 회로
1008: 터치 패널
1009: 디스플레이
1010: 디스플레이 컨트롤러100: substrate
106: element isolation insulating layer
108: gate insulating layer
110: gate electrode layer
116: channel formation region
120: impurity region
124: intermetallic compound region
128: insulating layer
130: insulating layer
132: insulating layer
135: insulating layer
136: electrode layer
137a: conductive layer
137b: conductive layer
138a: sidewall insulating layer
138b: sidewall insulating layer
142a: electrode layer
142b: electrode layer
144: oxide semiconductor layer
146: gate insulating layer
148: gate electrode layer
150: insulating layer
153: conductive layer
156: wiring
160: transistor
162: transistor
164: capacitive element
250: memory cell
251: memory cell array
251a: memory cell array
251b: memory cell array
253: peripheral circuit
254: capacitive element
256: insulating layer
260: wiring
262: conductive layer
400: substrate
401: gate electrode layer
402: gate insulating layer
403: oxide semiconductor layer
403a: impurity region
403b: impurity region
403c: channel formation region
405: conductive film
405a: source electrode layer
405b: drain electrode layer
406: insulating layer
407: insulating layer
411: conductive layer
412: sidewall insulation layer
413: oxide semiconductor layer
415: conductive film
416: insulating layer
420: transistor
422: transistor
424: transistor
426: transistor
428: transistor
430: transistor
431: dopant
435a: wiring layer
435b: wiring layer
436: base insulation layer
801: transistor
803: transistor
804: transistor
805: transistor
806: transistor
807: X decoder
808: Y decoder
811: transistor
812: maintenance capacity
813: X decoder
814: Y decoder
901: RF circuit
902: analog baseband circuit
903: digital baseband circuit
904: battery
905: power circuit
906: application processor
907: CPU
908: DSP
909: interface
910: flash memory
911: display controller
912: memory circuit
913: display
914: display
915: source driver
916: gate driver
917: voice circuit
918: keyboard
919: touch sensor
950: memory circuit
951: memory controller
952: memory
953: memory
954: switch
955: switch
956: display controller
957: display
1001: battery
1002: power circuit
1003: microprocessor
1004: flash memory
1005: voice circuit
1006: keyboard
1007: memory circuit
1008: touch panel
1009: display
1010: display controller
Claims (20)
소스 전극층 및 드레인 전극층과;
제 1 불순물 영역, 제 2 불순물 영역, 및 상기 제 1 불순물 영역과 상기 제 2 불순물 영역 사이에 끼워진 채널 형성 영역을 포함한 산화물 반도체층으로서, 상기 소스 전극층, 상기 드레인 전극층, 및 상기 산화물 반도체층의 상단부 면들은 동일 평면에 있는, 상기 산화물 반도체층과;
상기 산화물 반도체층, 상기 소스 전극층 및 상기 드레인 전극층 위에서 접하는 게이트 절연층과;
상기 채널 형성 영역과 중첩되는, 상기 게이트 절연층 위의 게이트 전극층과;
상기 게이트 전극층의 측면과 접하는, 도전층과;
상기 도전층 위에서 접하는, 측벽 절연층을 포함하는, 반도체 장치.In a semiconductor device,
A source electrode layer and a drain electrode layer;
An oxide semiconductor layer including a first impurity region, a second impurity region, and a channel formation region sandwiched between the first and second impurity regions, the source electrode layer, the drain electrode layer, and an upper end portion of the oxide semiconductor layer. The oxide semiconductor layer, the planes being coplanar;
A gate insulating layer in contact with the oxide semiconductor layer, the source electrode layer, and the drain electrode layer;
A gate electrode layer over the gate insulating layer overlapping the channel formation region;
A conductive layer in contact with a side surface of the gate electrode layer;
A semiconductor device comprising a sidewall insulating layer in contact over the conductive layer.
상기 제 1 불순물 영역의 채널 길이 방향의 측면이 상기 소스 전극층과 접하고 상기 제 2 불순물 영역의 채널 길이 방향의 측면이 상기 드레인 전극층과 접하는, 반도체 장치.The method of claim 1,
A semiconductor device, wherein a side surface of the first impurity region in a channel length direction contacts the source electrode layer, and a side surface of the second impurity region in a channel length direction contacts the drain electrode layer.
상기 도전층은 L자 형상을 갖는, 반도체 장치.The method of claim 1,
The semiconductor device, wherein the conductive layer has an L-shape.
상기 게이트 전극층, 상기 측벽 절연층 및 상기 게이트 절연층 위의 절연층과;
상기 절연층 및 상기 게이트 절연층에 제공된 개구를 통하여 상기 소스 전극층 또는 상기 드레인 전극층과 접하는, 상기 절연층 위의 배선을 더 포함하는, 반도체 장치.The method of claim 1,
An insulating layer over the gate electrode layer, the sidewall insulating layer, and the gate insulating layer;
The semiconductor device further comprising a wiring on the insulating layer in contact with the source electrode layer or the drain electrode layer through openings provided in the insulating layer and the gate insulating layer.
상기 산화물 반도체층은 인듐, 갈륨, 및 아연 중에서 선택된 재료를 포함하는, 반도체 장치.The method of claim 1,
The semiconductor device, wherein the oxide semiconductor layer comprises a material selected from indium, gallium, and zinc.
상기 도전층은 상기 게이트 전극층과 같은 재료를 포함하는, 반도체 장치.The method of claim 1,
The semiconductor device, wherein the conductive layer comprises the same material as the gate electrode layer.
상기 산화물 반도체층은 테이퍼 형상을 갖는, 반도체 장치.The method of claim 1,
The semiconductor device, wherein the oxide semiconductor layer has a tapered shape.
상기 게이트 전극층과 중첩되는 영역의 상기 게이트 절연층의 두께는 상기 도전층과 중첩되는 영역의 상기 게이트 절연층의 두께보다 큰, 반도체 장치.The method of claim 1,
The semiconductor device, wherein a thickness of the gate insulating layer in a region overlapping the gate electrode layer is greater than a thickness of the gate insulating layer in a region overlapping the conductive layer.
상기 도전층과 중첩되는 영역의 상기 게이트 절연층의 두께는 상기 도전층과 중첩되지 않으며 또한 상기 게이트 전극층과도 중첩되지 않는 영역의 상기 게이트 절연층의 두께보다 큰, 반도체 장치.The method of claim 1,
A semiconductor device, wherein a thickness of the gate insulating layer in a region overlapping with the conductive layer is greater than a thickness of the gate insulating layer in a region that does not overlap with the conductive layer and also does not overlap with the gate electrode layer.
소스 전극층 및 드레인 전극층을 형성하는 단계와;
상기 소스 전극층 및 상기 드레인 전극층을 덮는 산화물 반도체층을 형성하는 단계와;
화학적 기계 연마법으로 상기 소스 전극층 및 상기 드레인 전극층과 중첩되는 영역의 상기 산화물 반도체층을 제거하여, 상기 산화물 반도체층에 개구를 형성하는 단계와;
상기 개구를 갖는 상기 산화물 반도체층을, 상기 소스 전극층과 상기 드레인 전극층 사이에 제공된 섬 형상의 산화물 반도체층으로 가공하는 단계와;
상기 섬 형상의 산화물 반도체층, 상기 소스 전극층 및 상기 드레인 전극층 위에 게이트 절연층을 형성하는 단계와;
상기 게이트 절연층 위에 상기 섬 형상의 산화물 반도체층과 중첩되는 게이트 전극층을 형성하는 단계와;
상기 게이트 전극층을 마스크로 하여 상기 섬 형상의 산화물 반도체층에 불순물을 도입함으로써, 상기 섬 형상의 산화물 반도체층에 제 1 불순물 영역 및 제 2 불순물 영역을 형성하는 단계와;
상기 게이트 절연층 및 상기 게이트 전극층 위에 도전막을 형성하는 단계와;
상기 도전막 위에 절연층을 형성하는 단계와;
상기 절연층을 가공하여, 상기 도전막의 측면과 접하며 상기 게이트 전극층과 접하지 않는 측벽 절연층을 형성하는 단계와;
상기 측벽 절연층을 마스크로 하여 상기 도전막을 에칭함으로써, 상기 게이트 전극층의 측면과 접하는 제 1 부분 및 상기 게이트 절연층의 상면과 접하는 제 2 부분을 갖는 도전층을 형성하는 단계를 포함하고,
상기 제 2 부분의 적어도 일부가 상기 제 1 불순물 영역 및 상기 제 2 불순물 영역과 중첩되는, 반도체 장치의 제작 방법.In the method of manufacturing a semiconductor device,
Forming a source electrode layer and a drain electrode layer;
Forming an oxide semiconductor layer covering the source electrode layer and the drain electrode layer;
Forming an opening in the oxide semiconductor layer by removing the oxide semiconductor layer in a region overlapping the source electrode layer and the drain electrode layer by a chemical mechanical polishing method;
Processing the oxide semiconductor layer having the opening into an island-shaped oxide semiconductor layer provided between the source electrode layer and the drain electrode layer;
Forming a gate insulating layer on the island-shaped oxide semiconductor layer, the source electrode layer, and the drain electrode layer;
Forming a gate electrode layer overlapping the island-shaped oxide semiconductor layer on the gate insulating layer;
Forming a first impurity region and a second impurity region in the island-shaped oxide semiconductor layer by introducing impurities into the island-shaped oxide semiconductor layer using the gate electrode layer as a mask;
Forming a conductive film on the gate insulating layer and the gate electrode layer;
Forming an insulating layer on the conductive film;
Processing the insulating layer to form a sidewall insulating layer in contact with a side surface of the conductive layer and not in contact with the gate electrode layer;
Forming a conductive layer having a first portion in contact with a side surface of the gate electrode layer and a second portion in contact with an upper surface of the gate insulating layer by etching the conductive film using the sidewall insulating layer as a mask,
A method of manufacturing a semiconductor device, wherein at least a portion of the second portion overlaps the first impurity region and the second impurity region.
상기 산화물 반도체층은 인듐, 갈륨, 및 아연 중에서 선택된 재료를 포함하는, 반도체 장치의 제작 방법.The method of claim 10,
The oxide semiconductor layer comprises a material selected from indium, gallium, and zinc.
섬 형상의 산화물 반도체층을 형성하는 단계와;
상기 섬 형상의 산화물 반도체층을 덮는 제 1 도전막을 형성하는 단계와;
화학적 기계 연마법으로 상기 섬 형상의 산화물 반도체층과 중첩되는 영역의 상기 제 1 도전막을 제거함으로써, 상기 제 1 도전막에 개구를 형성하는 단계와;
상기 개구를 갖는 상기 제 1 도전막을 가공함으로써, 소스 전극층 및 드레인 전극층을 형성하는 단계와;
상기 섬 형상의 산화물 반도체층, 상기 소스 전극층 및 상기 드레인 전극층 위에 게이트 절연층을 형성하는 단계와;
상기 게이트 절연층 위에 상기 섬 형상의 산화물 반도체층과 중첩되는 게이트 전극층을 형성하는 단계와;
상기 게이트 전극층을 마스크로 하여 상기 섬 형상의 산화물 반도체층에 불순물을 도입함으로써, 상기 섬 형상의 산화물 반도체층에 제 1 불순물 영역 및 제 2 불순물 영역을 형성하는 단계와;
상기 게이트 절연층 및 상기 게이트 전극층 위에 제 2 도전막을 형성하는 단계와;
상기 제 2 도전막 위에 절연층을 형성하는 단계와;
상기 절연층을 가공하여, 상기 제 2 도전막의 측면과 접하며 상기 게이트 전극층과 접하지 않는 측벽 절연층을 형성하는 단계와;
상기 측벽 절연층을 마스크로 하여 상기 제 2 도전막을 에칭함으로써, 상기 게이트 전극층의 측면과 접하는 제 1 부분 및 상기 게이트 절연층의 상면과 접하는 제 2 부분을 갖는 도전층을 형성하는 단계를 포함하고,
상기 제 2 부분의 적어도 일부가 상기 제 1 불순물 영역 및 상기 제 2 불순물 영역과 중첩되는, 반도체 장치의 제작 방법.In the method of manufacturing a semiconductor device,
Forming an island-shaped oxide semiconductor layer;
Forming a first conductive film covering the island-shaped oxide semiconductor layer;
Forming an opening in the first conductive film by removing the first conductive film in a region overlapping the island-shaped oxide semiconductor layer by a chemical mechanical polishing method;
Forming a source electrode layer and a drain electrode layer by processing the first conductive film having the opening;
Forming a gate insulating layer on the island-shaped oxide semiconductor layer, the source electrode layer, and the drain electrode layer;
Forming a gate electrode layer overlapping the island-shaped oxide semiconductor layer on the gate insulating layer;
Forming a first impurity region and a second impurity region in the island-shaped oxide semiconductor layer by introducing impurities into the island-shaped oxide semiconductor layer using the gate electrode layer as a mask;
Forming a second conductive film on the gate insulating layer and the gate electrode layer;
Forming an insulating layer on the second conductive layer;
Processing the insulating layer to form a sidewall insulating layer in contact with a side surface of the second conductive layer and not in contact with the gate electrode layer;
Forming a conductive layer having a first portion in contact with a side surface of the gate electrode layer and a second portion in contact with an upper surface of the gate insulating layer by etching the second conductive layer using the sidewall insulating layer as a mask,
A method of manufacturing a semiconductor device, wherein at least a portion of the second portion overlaps the first impurity region and the second impurity region.
상기 제 2 부분의 측단부는 상기 측벽 절연층의 측단부와 일치하는, 반도체 장치의 제작 방법.The method of claim 10 or 12,
A method of manufacturing a semiconductor device, wherein a side end portion of the second portion coincides with a side end portion of the sidewall insulating layer.
상기 도전층은 L자 형상을 갖는, 반도체 장치의 제작 방법.The method of claim 10 or 12,
The method of manufacturing a semiconductor device, wherein the conductive layer has an L-shape.
상기 게이트 전극층, 상기 측벽 절연층 및 상기 게이트 절연층 위에 층간 절연층을 형성하는 단계와;
상기 층간 절연층 및 상기 게이트 절연층에 제공된 개구를 통하여 상기 소스 전극층 또는 상기 드레인 전극층과 접하는 배선을 상기 층간 절연층 위에 형성하는 단계를 더 포함하는, 반도체 장치의 제작 방법.The method of claim 10 or 12,
Forming an interlayer insulating layer on the gate electrode layer, the sidewall insulating layer, and the gate insulating layer;
The method of manufacturing a semiconductor device further comprising the step of forming a wiring on the interlayer insulating layer in contact with the source electrode layer or the drain electrode layer through openings provided in the interlayer insulating layer and the gate insulating layer.
상기 섬 형상의 산화물 반도체층은 인듐, 갈륨, 및 아연 중에서 선택된 재료를 포함하는, 반도체 장치의 제작 방법.The method of claim 12,
The island-shaped oxide semiconductor layer comprises a material selected from indium, gallium, and zinc.
상기 도전층은 상기 게이트 전극층과 같은 재료를 포함하는, 반도체 장치의 제작 방법.The method of claim 10 or 12,
The method of manufacturing a semiconductor device, wherein the conductive layer contains the same material as the gate electrode layer.
상기 섬 형상의 산화물 반도체층은 테이퍼 형상을 갖는, 반도체 장치의 제작 방법.The method of claim 10 or 12,
The method of manufacturing a semiconductor device, wherein the island-shaped oxide semiconductor layer has a tapered shape.
상기 게이트 전극층과 중첩되는 영역의 상기 게이트 절연층의 두께는 상기 도전층과 중첩되는 영역의 상기 게이트 절연층의 두께보다 큰, 반도체 장치의 제작 방법.The method of claim 10 or 12,
A method of manufacturing a semiconductor device, wherein a thickness of the gate insulating layer in a region overlapping with the gate electrode layer is greater than a thickness of the gate insulating layer in a region overlapping with the conductive layer.
상기 도전층과 중첩되는 영역의 상기 게이트 절연층의 두께는 상기 도전층과 중첩되지 않으며 또한 상기 게이트 전극층과도 중첩되지 않는 영역의 상기 게이트 절연층의 두께보다 큰, 반도체 장치의 제작 방법.The method of claim 10 or 12,
A method of manufacturing a semiconductor device, wherein a thickness of the gate insulating layer in a region overlapping with the conductive layer is greater than a thickness of the gate insulating layer in a region that does not overlap with the conductive layer and also does not overlap with the gate electrode layer.
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